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吴祖仁:脑科学教育系列报告之一(WORD版本)


2016年03月29日 11:38  点击:[1]

吴祖仁:脑科学教育系列报告之一(WORD版本)

第一节自然界最复杂的系统

说明:这部分内容只需一般性了解。但请大家明白,因为脑很复杂,所以有无限可开发潜力;具有可变性,不要把“差生”看扁;具有突变性,要关注学生的突然变化;基础教育的重要性,决定人的一生发展。

一、     复杂性系统的基本特性

复杂性系统特征(从科学方法论的角度体现一下)

   ()非线性

非线性线性是一对数学概念,用于区分数学中不同变量之间两种性质不同的关系。可以从本体论和方法论两个层面来认识和区分线性思维和非线性思维。

从函数表达说,线性是一次函数  z=ax+by

非线性是       z=axn  n不等于1

从图像说,线性是直线,后者是曲线

从本体论角度来看,线性思维认为,现实世界本质上是线性的,非线性不过是对线性的偏离或干扰。非线性思维认为,现实世界本质上是非线性的,但非线性程度和表现形式千差万别,线性系统不过是在简单情况下对非线性系统的一种可以接受的近似描述。

从方法论角度来看,线性思维认为,非线性一般都可以简化为线性来认识和处理。非线性思维认为,一般情况下都要把非线性当成非线性来处理,只有在某些简单情况下才允许把非线性简化为线性来处理。

非线性作用是复杂性的主是要根源.是系统无限多样性、不可预测性和差异性的根本原因。非线性思维是一种直面事物本身的复杂性以及事物之间相互关系的复杂性、运用超越直线式的思维去力争更清晰的理解和把握认识对象的思维方式。不可否认,在认识简单的事物时,直线式的思维方式有利于提高认识的效率。如经典物理的一系列模型,如质点、匀速直线运动;弹性形变、弹性碰撞、单摆、简谐运动等都是简单的线性模型,都是理想模型,是忽略很多因素后的抽象。物理学历史表明,正是伽利略、牛顿提出理想模型思想才开创了辉煌的经典力学时代。但是经典力学只是真实世界的近似。应用力学,如航空、航天领域都是非线性的,都不能用简单模型计算。

长期来,我们的基础教育,包括高等教育,基本上是线性理论,回避复杂性思维,但是真实世界是复杂的,应该用复杂性思维去考虑。所以有人说“物理学一个实际问题也解决不了!”,这一说法虽然有些极端,但是在解决实际问题时,往往都不能完全搬用书本中的物理模型。如果用线性思维去处理复杂性系统,如在技术、经济领域就会出大问题。回想中国的“人口问题”、五八年的大跃进的问题,当代一些工程问题,本质上都是由于缺乏复杂性思维,给国家和民族带了灾难性的后果。

  ()不确定性

不确定性是针对确定性而言的,是对确定性的否定。“不确定性“是复杂性系统的一个基本特性。

人造卫星发射过程为什么要不断调整运动姿态,要控制,因为运动过程存在不确定因素;为了使大量的零部件能够装成一台符合设计标准的机器,工程上首先要规定技术标准,规定机器零件生产过程的“公差”精度,这个公差就是不确定性。可见,所谓“不确定性“不是绝对不能确定,而是不能确定在一个确定的轨道上,但是可以控制在一个”管道“内,即可以控制在一定的空间范围。像杂技表演控制在一定范围——动平衡。

在近代科学发展史上,以牛顿力学为代表的经典自然科学向人们描绘了一幅确定性的世界愿景,然而现代科学的发展完全打破了他们的美妙理想。20世纪初的量子力学首先打破了“确定性”图像,提出“海森堡测不准原理”,但是,习惯于确定性思维的人对“海森堡测不准原理”始终格格不入。二十世纪60年代以来,现代系统科学中关于混沌现象的研究,却打破了传统科学中把确定性不确定性截然分割的思想禁锢,并用大量客观事实和实验表明,正是由于确定性和不确定性的相互联系和相互转化,才构成了丰富多彩的现实世界。著名科学家普里高津曾说:我坚信,我们正处在科学史中一个重要的转折点上。我们走到了伽利略和牛顿所开辟的道路的尽头,他们给我们描绘了一个时间可逆的确定性宇宙的图景。我们现在却看到了确定性的腐朽和物理学定义新表述的诞生。

美国密歇根大学地质科学家亨利·N.波拉克(H.N.Pollack1936)说:科学会因为不确定性而衰弱吗?恰恰相反,许多科学的成功正是由于科学家在追求知识的过程中学会了利用不确定性。不确定性非但不是阻碍科学前行的障碍,而且是推动科学进步的动力。科学是靠不确定性繁荣的。

  ()自组织性

  组织是指系统内的有序结构或这种有序结构的形成过程。德国理论物理学家哈肯依据组织的进化形式把组织分为他组织和自组织两类。自组织是相对于他组织而言的,我们一般把不能自行组织、自行创生、自行演化,不能够自主地从无序走向有序的组织称为他组织相反,自组织是指无需外界特定指。他组织只能依靠外界的特定指令来推动组织向有序演化,从而被动地从无序走向有序。令就能自行组织、自行创生、自行演化,能够自主地从无序走向有序,形成有结构的系统。

  自组织理论是20世纪60年代末期开始建立并发展起来的一种系统理论。它的研究对象主要是复杂自组织系统(生命系统、社会系统)的形成和发展机制问题,即在一定条件下,系统是如何自发地由无序走向有序、由低级有序走向高级有序的。一般认为自组织理论由耗散结构理论、协同学、突变论、超循环理论、分形理论和混沌理论组成。其中,耗散结构理论是解决自组织出现的条件环境问题的,协同学基本上是解决自组织的动力学问题的,突变论从数学抽象的角度研究了自组织的途径问题,超循环论解决了自组织的结合形式问题,分形理论和混沌理论则从时序和空间序的角度研究了自组织的复杂性和图景问题。一般认为,系统开放、远离平衡、非线性相互作用、涨落是自组织形成的基本条件。

自组织现象无论在自然界还是在人类社会中都普遍存在。一个系统自组织功能愈强,其保持和产生新功能的能力也就愈强。我们把这种无需外界控制和干扰、通过系统自身的调节和演化达到有序的特性称为自组织性,如达尔文提出的物竞天择,适者生存,就可以看成是自然界中的生物通过生态系统的自身调节而达到的不同物种之间进化发展的自组织过程。

地球上生态的演化发展是一个复杂的自组织过程。几十一年的演化形成大约3000万种动物;2000万种植物。我们常说抗菌素失效,菌种变异。就是微生物的自主演化。

神经系统和脑的演化和发展是最神奇的自组织过程。脑是最复杂的自组织系统。

  ()涌现性

  复杂性科学把系统整体具有而部分或者部分和所不具有的属性、特征、行为、功能等特性称为涌现性。也就是说,当我们把整体还原为各个部分时,整体所具有的这些属性、特征、行为、功能等便不可能体现在单个的部分上。复杂性是随着事物的演化从简单性中涌现出来的。虽然涌现性是整体的一种现象和特性,但是整体的现象和特性不一定都是涌现。当构成整体的各部分形成有机的整合,即集成为一个新的复杂体系时,就会出现涌现性。

突发性是一种特殊的涌现性。自然界恶劣的气象现象是涌现性;当前生活中某些地区突发性事件就属于复杂社会的涌现性;大脑功能的形成属于涌现性。开发大脑,将无序的神经元系统形成有序的结构就是建构脑的“涌现性”

(五)、初值的敏感性

“蝴蝶效应”是最典型的复杂系统初值敏感性。“蝴蝶效应”的形象的比喻:亚马孙河上一只蝴蝶的翅膀抖动一下就可以在美国的德克萨斯州引起一场风暴。

物种的多样性问题  回顾生命演化的历史,生命从单细胞开始,为什么几十亿年后会演化出形形色色的动物和植物。用处置敏感性就比较容易理解。假设亿万年前,生物之间存在的某些很小的差异,逐渐形成明显差异,以致成为不同物种。

幼儿教育的敏感期  婴儿早期的环境和教育的差异会导致人的智能重大差异。

三、脑是自然界最复杂的系统

至所以说脑是自然界最复杂的系统,我们可以从以下三方面去理解:复杂的生理结构;复杂的功能结构;脑功能发育发展的复杂过程和初值敏感性。

1、复杂的生理结构

一百多年前,从解剖生理学研究发现人的大脑存在左右两个半球

状结构(脑的半球)

1  脑的左右半球

广大百姓中几近普及的左右脑概念就是由此而来。进一步研究发现大脑功能存在分区结构,最先发现脑具有十一个分区(   2  )

   2  脑的十一个分区结构

后来发现52个脑区,进一步发现脑有更复杂的分区结构,现代脑科学研究表明,人的大脑存在很精细的空间分区结构,每一个功能都定位于解剖学上一个专一性脑区。而一个专一性脑区包含几百到几千个神经元细胞,其空间尺寸大约才几十——几百微米。这就是说,脑科学已经从实验发现,一个专一性脑区的空间尺度不足 一毫米 。由此可以想象,人的大脑该有多么复杂的功能区结构!

从神经生物学的角度说,脑区的功能结构的物质基础是神经元网络。神经元细胞是最基本的信息结构单元。人的中枢神经系统大约有10 ——10 个神经元细胞(3)

        3,神经元结构图

每个神经元细胞又有数以千计的突触。大脑神经网络就是通过不同神经元突触之间的相互作用而形成的某种信息功能关联建立起来的。我们后面将会知道人脑具有十分复杂的功能区域结构,也即蕴藏着十分巨大的信息功能。大脑功能各个区域既有功能分工,又相互协作,形成网络式功能结构。

   4  电子显微镜下的神经元网络

人脑的中枢神经生理结构可以看成是人的大脑信息功能的硬件系统。这个系统是人类祖先在几百万年的劳动与创造,与自然界的不断斗争中及其在频繁的社会交往中,在社会环境中逐渐演化发展起来的。几百万年前,类人猿与今天的大猩猩的大脑结构基本差不多,脑重量约 400 ,没有什么复杂精细的大脑皮层结构。人脑和高级动物大脑的生理区别主要是人类有数倍于大脑本身质量的大脑皮层结构()

这是人类祖先在漫长历史的劳动和创造中逐