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糜克定与朋友们一道讨论科学人生

 
 
 

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糜克定: 退休物理教师,原江苏省电教研究会理事、中国物理学会会员、连云港市电化教育馆馆长,曾编导、监制《中学教师语言修养与训练》等52小时电视教材在中国教育电视台卫星播出。撰稿与编导10小时的电视教材《小学数学新课导入》选为联合国儿童基金会远程教育项目教材。退休后,又有编制《小学科学助教助学》、《体育与健康》、《伟大祖国》等近260G的结构性网络资源及网络“超媒体”教材等成果。 自办公益网站:《糜克定》的科学园》 http://mkd.lyge.cn/

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科学发现与科学方法:黑箱、灰箱、白箱  

2007-12-09 10:26:51|  分类: 科普 |  标签: |举报 |字号 订阅

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 在人类认识世界、从事科学研究的时候,常常会遇到这样的情况,有一些我们所要认识或控制的客体,由于种种条件的限制,其内部的结构一时不能够(不允许或不容易,被我们直接观测到,仿佛是一个既不透明且又密封的箱(盒)子,其复杂的结构和神妙的机理,珍藏其中,人们无法从外部或无法打开来直接探察其内部的奥秘。例如人类思维着的大脑,直至目前,人们还不能直接从外部,或通过生理解剖窥视其内部·构造细节和思维机理。对于这样一种内部结构尚不能直接观测,只能从外部去认识的客体,控制论创始人维纳起先称它为“闭盒”(Closed Box),后来艾什比、维纳又称它为“黑箱”(Black Box,又译出“暗盒”)。

  黑箱这种认识对象,在现实中简直是随处可见。例如:商店中待顾客选购的电视机;电工中被封闭在盒子内的“四端网络”;军事上不准拆开而要对其内部故障作出判断的“保密的密封投弹瞄准器”;门诊医生面前就诊的“患脑震伤或失语症的病人”;一批受到心理学家跟踪观察的儿童;国家欲实行计划控制的人口系统;如此等等,都可称为“黑箱”。

  当然,黑箱的概念是相对的。同一研究对象,对于不同的认识主体,由于主体拥有的经验、技术手段及认识任务的不同,可以是“黑箱”,也可以不是;在不同的历史时期,由于人类认识能力的提高,某一客体开始是黑箱,后来可能是“灰箱”(Grey Box,其内部结构可部分直接观测的系统),或是“白箱”(White Box,其内部结构可以直接观测的系统)。认识对象是否是黑箱,不仅取决于客体本身,同时也与认识主体有关。认识对象的黑箱属性,是认识过程中主体与客体相互关系的一种反映。可见,“黑箱”并不是对现实某些事物的生动形象的比喻,而是具有认识论和方法论意义的概念。

  为了研究这个黑箱,应该使用哪些一般的方法呢?黑箱内部的那些性质可以探出来,哪些根本探不出来?这就成了认识论和方法论的重要课题,由此发展成一种研究事物的黑箱方法,形成了黑箱理论。

  很早以前,人们为了研究黑箱这类认识对象,就不自觉地采取了现今被称为“黑箱方法”的一些基本原则:不打开黑箱,而是利用外部观测,考察对象与周围环境的相互联系来了解黑箱的特征和功能,猜测其内部构造和机理。我国人民通过长期考察人体与生活条件的联系,考察人体对各种刺激的反应,逐渐熟悉了人体的各种功能,创立了关于人体生命控制系统的经络学说,总结出一套“望、闻、切、问”,“审证求因”,“辨证施治”的诊断与治疗医学技术和理论,就是典型的事例。但是,自觉地把“黑箱”概念引入方法论领域,把黑箱方法上升为一种具有普遍意义的方法,并赋予它现代科学形态,则应归功于控制论的创始人维纳和艾什比。

  控制论所研究的对象是技术、生命、社会的控制系统,这是一个极为复杂而又高度活动性的系统,运用近代科学历形成的传统方法,即把复杂的事物分解为简单的元素。把整体肢解为部分。用简单事物来说明复杂事物,用部分来说明整体,显然是无能为力的。例如人脑这个系统,仅大脑皮层就有一百多亿个神经元,每个神经元平均又与约一千个其他神经元相联接,要弄清每一个元素及每一个具体联系几乎是不可能的,即使弄清了也不能简单地说明人脑的整体功能。维纳等人不愧是富于创新精神的科学家。他大胆冲破了近代科学所形成的传统的方法论思想的束缚。继承和发展了古代本质上是从整体、从整体与外界环境的相互联系中研究事物的辩证思维方式,又吸收了近代科学实践中所形成的一套行之有效的精密的科学研究方法(如实验方法、数学方法、模拟方法等),并且引进入“系统”、“信息”等新的概念,从而形成了适合于控制论研究对象的新方法——控制论黑箱方法。

  控制论黑箱方法一般包括如下的基本原则和步骤:

  (1)相对孤立的原则,确认黑箱。就是说,把所要研究的对象看成是一个整体。把它相对地从其环境中孤立出来;把研究对象所受到周围环境的影响看成是通过特定通道实现的“输入”,把研究对象对周围环境的作用看成是通过特定通道来实现的“输出”。根据研究对象的性质相研究目的,划定了研究对象与周围环境的边界。选定了对象与环境的相互联系的特定通道,确定了对象的一组输入和输出,就意味着一个黑箱的确立。

  (2)观测和主动试验,考察黑箱。考察黑箱就是要考察对象的输入、输出及其动态过程。由于控制论所要研究的是有组织系统的目的性行为和控制功能,而行为指的就是对象在周围环境作用(输入)下所作出的反应(输出),功能是对象对于周围环境的变化作出反应的能力,所以考察输入、输出及其变化,在控制论系统的研究中具有特别重要意义。对黑箱的考察可以采取直接观测的办法,对系统不加干预的情况下测量系统的输入和输出,取得系统输入一输出状态变化的记录。亦可以采取主动试验的办法,人为地在系统的输入端,加入某种典型的测试信号(如在控制工程中,采用单位阶跃式、单位脉冲式、正弦式的测试信号等)然后再观测对应的输出及其变化。从而获得对象的功能特性和内部结构的大量信息,作为认识黑箱的根据。

  (3)建立模型,阐明黑箱。即利用系统的输入、输出的观测试验的数据,以及原有对系统的知识,建立关于研究对象的模型(框图模型、动态登记表,数学模型等),然后据此对系统的功能特性进行定性、定量和静态、动态的分析评价,对系统的未来行为作出某种预测,对系统的内部结构和机理作出某些推测和假说。在这方面,近年来已发展了一个新的学科分支——系统辨识。

  值得指出的是,黑箱方法也给探索物质结构奥秘指出了一条重要的途径。早在1911年卢瑟福面对着原子这一黑箱,由于利用α射线轰击(输入)金属箔,观测粒子散射(输出)的特性,根据α粒子行为特性提出了原子结构的新模型。本世纪五十年代末期,人们面对基本粒子这一黑箱,用能量为十亿电子伏特的电子,对质子进行弹性散射试验,研究电子散射的角分布(输出),发现质子电荷分布在半径为0.8×10一13厘米的球形区域内;六十年代后半期,人们又用能量高达二百亿电子伏特的电子轰击质子(输入),进行动量传递很大的非弹性碰撞试验,进一步发现质子内部电荷分布不均匀,存在一些颗粒状散射中心,根据上述考察的事实,使人认识到强子内部具有内部结构,导致了各种基本粒子模型的提出。

  总之,从工程技术到社会领域,从无生命到有生命系统,从宏观世界到微观世界,黑箱方法都有其用武之地。

  当然,黑箱方法同任何其他方法一样,也有局限性,黑箱方法强调从整体、从整体与外部环境联系中认识事物,而不去深究其内部结构和局部细节,这是它的长处,也是它的不足。结构与功能是辩证的统一,运用黑箱方法来研究系统的功能和行为特性时,由于完全不对其内部结构进行研究,必然不可能更深刻地认识系统的功能和行为特性的基础与本质,运用黑箱法来对系统的内在结构和机理进行推测和辨识时。也必须特别谨慎小心,切莫轻率从事。现代系统辨识理论指出:并非所有系统都可以从它的输入、输出完全确定其结构和参数。正确的态度应当是把黑箱方法与其他科学方法结合起来。取长补短,相得益彰。

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