科學動力學范式論文

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一．第三種競爭范式的提出

自80年代聯(lián)結(jié)主義范式興起以后，符號主義和聯(lián)結(jié)主義成為認知的兩大基本范式，由于兩大范式建立在功能主義假設(shè)和聯(lián)結(jié)主義假設(shè)之上，受到一系列質(zhì)疑。隨著最近十年一些有關(guān)動力系統(tǒng)的問世，一種新的關(guān)于認知科學的基礎(chǔ)理論似乎在逐步形成，例如，格羅布斯（Globus1992），羅伯特森（Robertson1993），西倫（len）和斯密斯（Smith1994）的文章和著作希望一種對認知更好的動態(tài)的理解進路。特別是馮•蓋爾德（vanGelder）和波特（R.Port）(1995)年出版了一本關(guān)于認知科學的動力理論的書：提出認知科學的動力學進路（It’sabouttime:Anoverviewofthedynamicalapproachtocognition,Mindasmotion:Explorationsinthedynamicsofcognition,Cambridge,MA,MIT），被作為認知科學第三種競爭范式的宣言。此書引起了較大凡響,如華盛頓大學伊萊斯密斯（C.Eliasmith）1996年發(fā)表了《第三種競爭范式：對認知的動力理論的批判性考察》，其后也有其他人的熱烈討論。

馮•蓋爾德針對80年代以后符號主義、聯(lián)結(jié)主義范式所產(chǎn)生的困難，提出他的動力學假說（DynamicistHypothesis）。對于認知科學中的時間、構(gòu)架、計算和表征等概念都提出了不同的解釋。馮•蓋爾德把紐厄爾（Newell）西蒙（Simon）的計算主義假說或說物理符號系統(tǒng)假說：

“的認知系統(tǒng)在物理符號系統(tǒng)的意義上是智能的。”

相關(guān)的，期望用動態(tài)眼光理解認知的還有丘奇蘭德（Churchland）和謝諾沃斯基（Sejnowski），他們（1992）把所擁護的聯(lián)結(jié)主義假說表述為“突現(xiàn)性是以系統(tǒng)的某種方式依賴于低層現(xiàn)象的高層結(jié)果”。他們承諾“通過構(gòu)架的低層神經(jīng)的作用能達到復雜的認知效果”

“直覺過程是一種亞概念的（subconceptual）聯(lián)結(jié)主義動力系統(tǒng)，它不接受完全的、形式化的、精確的概念層次的描述”。

“用亞概念網(wǎng)絡(luò)把自然認知系統(tǒng)看作是動力神經(jīng)系統(tǒng)是最好的理解?！?/p>

有一種假設(shè)認為，人意向性意識涌現(xiàn)于集群系統(tǒng)動力學，并由環(huán)境激發(fā)。

動力系統(tǒng)類包括任何隨時間變化的系統(tǒng)，廣泛用于對自然界的描述。動力論者期望勾畫一類特殊的能恰當描述認知的動力系統(tǒng)。于是1995年馮•蓋爾德給出他的動力學假說（DynamicistHypothesis）：

“自然的認知系統(tǒng)是某種動力系統(tǒng)，而且從動力學眼光理解認知系統(tǒng)是最好的理解。”

動力學假說是以數(shù)學的動力系統(tǒng)理論為基礎(chǔ)描述認知的，用數(shù)學中的狀態(tài)空間（statespace）、吸引子（attractor）、軌跡（trajectory）、確定性混沌（deterministicchaos）等概念來解釋與環(huán)境相互作用的認知主體（智能體）的內(nèi)在認知過程。用微分方程組來表達處在狀態(tài)空間的認知主體（智能體）的認知軌跡。換句話說，認知是作為認知主體所有可能的思想和行為構(gòu)成的多維空間被描述的，特別是通過在一定環(huán)境下和一定的內(nèi)部壓力下的認知主體的思想軌跡來詳盡考察認知的。認知主體（智能體）的思想和行為都受微分方程的支配。系統(tǒng)中的變量是不斷進化的，系統(tǒng)服從于非線性微分方程，一般來講是復雜的，是確定的。

二．認知科學的幾個動力系統(tǒng)模型

這些模型雖然不僅僅是動力學假設(shè)的實例，但被動力論的倡導者看作他們的范式的擔當者。

1．循環(huán)原動力行為模型（CyclicalMotorBehaviorModel）

羅伯特森（1990）曾用動力學進路對CM（新生嬰兒的自發(fā)的原動力行為中的循環(huán)）做了大致勾畫。羅伯特森采集了大量的關(guān)于新生嬰兒呈現(xiàn)的自發(fā)的原動力行為的數(shù)據(jù)。由于這些經(jīng)驗數(shù)據(jù)的有效性，這個動力系統(tǒng)模型CM是少有的幾個能夠充當動力系統(tǒng)模型的。而且許多人認為，這是一種可定量化的生行為的一種非隱喻的動力描述，恐怕較臨床心理學的研究結(jié)果更能讓人欣然接受。

羅伯特森后來過濾了觀察狀態(tài)空間，獲得了帶有少數(shù)自由度的一個理想的動力模型，似乎能夠模擬CM的隨機過程。但基于后來的研究，羅伯特森只能得出結(jié)論說是“我對CM的生物學基質(zhì)清楚地知道的很少”。結(jié)果，至今還沒有完美的動力系統(tǒng)模型。

因此羅伯特森說：“我們距離建立一種使狀態(tài)變量和參數(shù)與生理學和環(huán)境因素有清楚對應(yīng)的關(guān)于CM的動力系統(tǒng)模型的目標，還有相當長的路要走”。

2．嗅覺球狀模型(OlfactoryBulbModel)

斯卡德（Skarde）和弗里曼（Freeman）1987年的論文“為了了解世界大腦是如何制造混沌的”大致勾勒了這個模型并進行了一定程度的實驗，這是一個基于嗅的神經(jīng)過程的考察，借助復雜動力系統(tǒng)理論描述感受器官的神經(jīng)系統(tǒng)的各種復雜狀態(tài)、包括描述混沌神經(jīng)元活動及其有的軌跡而提出的精致模型。蓋爾德和格羅布斯、巴頓（Bardon）紐曼（Newman）等都承認它可以作為動力系統(tǒng)模型。

3．動力振動理論模型（MotivationalOscillatoryTheory）

動力振動理論（MOT）是一個關(guān)于循環(huán)的動力系統(tǒng)的模型。是馮•蓋爾德（1995）推薦作為動力論假說范例的一個簡化的動力系統(tǒng)模型，它是由……提出的。

但是這個系統(tǒng)最大的就是如何正確選擇系統(tǒng)的參數(shù)。因為對于動力系統(tǒng)而言，是對初值敏感的，“改變動力系統(tǒng)的一個參數(shù)就改變了它的整個動力學”（vanGelder，1995，p.357）。

4．語言認知的動力學模型

5．關(guān)于意識的動力學模型

……

三．動力學認知范式對表征的理解

表征是認知科學最核心的概念之一。表征包括對象表征、問題表征和知識表征等，還有內(nèi)隱表征和外顯表征，人的表征和機器表征，總之，表征被認為是人類對自身和對外部世界表達式的媒介，特別是，知識表征是推理的前提。在計算主義框架下,知識表征是有效計算的媒介，是使計算機世界的信息溝通以及與人的世界的信息溝通成為可能的媒介。在我們今天普遍流行的認知科學范式中最重要的就是表征與計算問題，無論是作為“一種替代物”，“一組本體論承諾”，還是“一種媒介”（韋格曼（M.Wageman,1996）），抑或一種“被構(gòu)造出來的作為另一對象的替代物而存在的符號”(劉西瑞，2004)，大家都默認著一個假定，“沒有表征就沒有人類認知”。

動力論的認知范式與其他范式的一個重要區(qū)別是對表征的不同理解。符號主義模型是以符號表征為基礎(chǔ)的。聯(lián)結(jié)主義的表征是以網(wǎng)絡(luò)中的并行式表征或局部符號表征（Globus1992,ThelenandSmith1994;vanGelder1993,1995）為基礎(chǔ)的。但動力論的認知范式則宣稱，一個動力模型應(yīng)當是“無表征的”。

在對聯(lián)結(jié)主義范式的批判中，格洛布斯指出，“表征的過程實際上是在簡化網(wǎng)絡(luò)中的（符號的）計算過程?！痹谡鎸嵉木W(wǎng)絡(luò)中是無表征的，它們是變化的；是借助化學變化的自組織過程，因此談?wù)摫碚魇菦]有意義的（Globus1992,p.302），類似的，vanGelder認為“表征概念對于理解認知是不充分的一種詭辯式的東西（sophisticated）（vanGelder，1993，p.6）.ThelenandSmith宣稱“我們根本不去建立什么表征”（ThelenandSmith1994，p.338）！動力主義者認為，對于恰當解釋認知，表征是完全不必要的。

實際上，布魯克斯（R.Brooks）就宣稱，將建造一種完全自動的、能動的行為者（創(chuàng)造物），它們與人類共存于世界上，并被人類認可是有自己權(quán)利的智能存在。創(chuàng)造物在它的動力環(huán)境中必須以隨機應(yīng)變的方式恰當處理問題。它們應(yīng)有多種目標，能適應(yīng)環(huán)境，也能利用偶發(fā)環(huán)境。布魯克斯的方案是把復雜系統(tǒng)分解為部分來建造，再連接到復雜系統(tǒng)中。他所設(shè)計的機器人，是靠控制不同的層次直接與環(huán)境作用，因此他宣稱“根本不需要表征”（1991）。

因此,也有人攻擊動力論范式，拒斥表征無非是對行為主義規(guī)劃的不成功表達的一種強烈暗示。說它是“無表征的”，不如說它是“在某種類型的非計算的動力系統(tǒng)中存在狀態(tài)空間演化的”。

四．對認知科學的動力學范式的批判性考察

動力系統(tǒng)理論對認知行為的連續(xù)性提供了隨時間變化的自然主義的說明。這是其他范式不能說明的，其他范式一般來講是忽略時間概念的。但人類大腦與環(huán)境之間是隨時有信息交流的，而且是處在不斷變化的，暫態(tài)的連續(xù)的認知是隨時間變化的。

動力系統(tǒng)理論的優(yōu)勢是對認知的描述是多元的，是一種經(jīng)驗可檢驗的理論，可以對描述認知系統(tǒng)的微分方程進行修正，也可以用已知的技術(shù)去解這些方程，比起其他理論，它是一種定量的分析，是理解認知的一種確定性的觀點。另一優(yōu)勢是動力系統(tǒng)的描述可以展示人類行為復雜的，混沌的特性。動力論者認為，如此對認知的分析描述，應(yīng)當是已經(jīng)找到了替代認知科學中的符號主義、聯(lián)結(jié)主義的新范式。果真如此嗎

但是前面討論的一些模型外，至今有多少是成功的模型？

對于表征的理解受到質(zhì)疑.

如何保證動力系統(tǒng)的各變量和參數(shù)的恰當選擇？系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性問題。

認知的動力系統(tǒng)雖然不是一種隱喻性的，而是一種定量的分析，但對于定量性描述的因素的選擇基于什么原則？

動力學理論是否構(gòu)成同符合主義、聯(lián)結(jié)主義具有同樣競爭力的第三種范式？

它是對于認知的最有潛力和生命力的新范式？

……

一．第三種競爭范式的提出

自80年代聯(lián)結(jié)主義范式興起以后，符號主義和聯(lián)結(jié)主義成為認知的兩大基本范式，由于兩大范式建立在功能主義假設(shè)和聯(lián)結(jié)主義假設(shè)之上，受到一系列質(zhì)疑。隨著最近十年一些有關(guān)動力系統(tǒng)的問世，一種新的關(guān)于認知科學的基礎(chǔ)理論似乎在逐步形成，例如，格羅布斯（Globus1992），羅伯特森（Robertson1993），西倫（len）和斯密斯（Smith1994）的文章和著作希望一種對認知更好的動態(tài)的理解進路。特別是馮•蓋爾德（vanGelder）和波特（R.Port）(1995)年出版了一本關(guān)于認知科學的動力理論的書：提出認知科學的動力學進路（It’sabouttime:Anoverviewofthedynamicalapproachtocognition,Mindasmotion:Explorationsinthedynamicsofcognition,Cambridge,MA,MIT），被作為認知科學第三種競爭范式的宣言。此書引起了較大凡響,如華盛頓大學伊萊斯密斯（C.Eliasmith）1996年發(fā)表了《第三種競爭范式：對認知的動力理論的批判性考察》，其后也有其他人的熱烈討論。

馮•蓋爾德針對80年代以后符號主義、聯(lián)結(jié)主義范式所產(chǎn)生的困難，提出他的動力學假說（DynamicistHypothesis）。對于認知科學中的時間、構(gòu)架、計算和表征等概念都提出了不同的解釋。馮•蓋爾德把紐厄爾（Newell）西蒙（Simon）的計算主義假說或說物理符號系統(tǒng)假說：

“的認知系統(tǒng)在物理符號系統(tǒng)的意義上是智能的。”

相關(guān)的，期望用動態(tài)眼光理解認知的還有丘奇蘭德（Churchland）和謝諾沃斯基（Sejnowski），他們（1992）把所擁護的聯(lián)結(jié)主義假說表述為“突現(xiàn)性是以系統(tǒng)的某種方式依賴于低層現(xiàn)象的高層結(jié)果”。他們承諾“通過構(gòu)架的低層神經(jīng)的作用能達到復雜的認知效果”

“直覺過程是一種亞概念的（subconceptual）聯(lián)結(jié)主義動力系統(tǒng)，它不接受完全的、形式化的、精確的概念層次的描述”。

“用亞概念網(wǎng)絡(luò)把自然認知系統(tǒng)看作是動力神經(jīng)系統(tǒng)是最好的理解。”

有一種假設(shè)認為，人意向性意識涌現(xiàn)于集群系統(tǒng)動力學，并由環(huán)境激發(fā)。

動力系統(tǒng)類包括任何隨時間變化的系統(tǒng)，廣泛用于對自然界的描述。動力論者期望勾畫一類特殊的能恰當描述認知的動力系統(tǒng)。于是1995年馮•蓋爾德給出他的動力學假說（DynamicistHypothesis）：

“自然的認知系統(tǒng)是某種動力系統(tǒng)，而且從動力學眼光理解認知系統(tǒng)是最好的理解。”

動力學假說是以數(shù)學的動力系統(tǒng)理論為基礎(chǔ)描述認知的，用數(shù)學中的狀態(tài)空間（statespace）、吸引子（attractor）、軌跡（trajectory）、確定性混沌（deterministicchaos）等概念來解釋與環(huán)境相互作用的認知主體（智能體）的內(nèi)在認知過程。用微分方程組來表達處在狀態(tài)空間的認知主體（智能體）的認知軌跡。換句話說，認知是作為認知主體所有可能的思想和行為構(gòu)成的多維空間被描述的，特別是通過在一定環(huán)境下和一定的內(nèi)部壓力下的認知主體的思想軌跡來詳盡考察認知的。認知主體（智能體）的思想和行為都受微分方程的支配。系統(tǒng)中的變量是不斷進化的，系統(tǒng)服從于非線性微分方程，一般來講是復雜的，是確定的。

二．認知科學的幾個動力系統(tǒng)模型

這些模型雖然不僅僅是動力學假設(shè)的實例，但被動力論的倡導者看作他們的范式的擔當者。

1．循環(huán)原動力行為模型（CyclicalMotorBehaviorModel）

羅伯特森（1990）曾用動力學進路對CM（新生嬰兒的自發(fā)的原動力行為中的循環(huán)）做了大致勾畫。羅伯特森采集了大量的關(guān)于新生嬰兒呈現(xiàn)的自發(fā)的原動力行為的數(shù)據(jù)。由于這些經(jīng)驗數(shù)據(jù)的有效性，這個動力系統(tǒng)模型CM是少有的幾個能夠充當動力系統(tǒng)模型的。而且許多人認為，這是一種可定量化的生行為的一種非隱喻的動力描述，恐怕較臨床心理學的研究結(jié)果更能讓人欣然接受。

羅伯特森后來過濾了觀察狀態(tài)空間，獲得了帶有少數(shù)自由度的一個理想的動力模型，似乎能夠模擬CM的隨機過程。但基于后來的研究，羅伯特森只能得出結(jié)論說是“我對CM的生物學基質(zhì)清楚地知道的很少”。結(jié)果，至今還沒有完美的動力系統(tǒng)模型。

因此羅伯特森說：“我們距離建立一種使狀態(tài)變量和參數(shù)與生理學和環(huán)境因素有清楚對應(yīng)的關(guān)于CM的動力系統(tǒng)模型的目標，還有相當長的路要走”。

2．嗅覺球狀模型(OlfactoryBulbModel)

斯卡德（Skarde）和弗里曼（Freeman）1987年的論文“為了了解世界大腦是如何制造混沌的”大致勾勒了這個模型并進行了一定程度的實驗，這是一個基于嗅的神經(jīng)過程的考察，借助復雜動力系統(tǒng)理論描述感受器官的神經(jīng)系統(tǒng)的各種復雜狀態(tài)、包括描述混沌神經(jīng)元活動及其有的軌跡而提出的精致模型。蓋爾德和格羅布斯、巴頓（Bardon）紐曼（Newman）等都承認它可以作為動力系統(tǒng)模型。

3．動力振動理論模型（MotivationalOscillatoryTheory）

動力振動理論（MOT）是一個關(guān)于循環(huán)的動力系統(tǒng)的模型。是馮•蓋爾德（1995）推薦作為動力論假說范例的一個簡化的動力系統(tǒng)模型，它是由……提出的。

但是這個系統(tǒng)最大的就是如何正確選擇系統(tǒng)的參數(shù)。因為對于動力系統(tǒng)而言，是對初值敏感的，“改變動力系統(tǒng)的一個參數(shù)就改變了它的整個動力學”（vanGelder，1995，p.357）。

4．語言認知的動力學模型

5．關(guān)于意識的動力學模型

……

三．動力學認知范式對表征的理解

表征是認知科學最核心的概念之一。表征包括對象表征、問題表征和知識表征等，還有內(nèi)隱表征和外顯表征，人的表征和機器表征，總之，表征被認為是人類對自身和對外部世界表達式的媒介，特別是，知識表征是推理的前提。在計算主義框架下,知識表征是有效計算的媒介，是使計算機世界的信息溝通以及與人的世界的信息溝通成為可能的媒介。在我們今天普遍流行的認知科學范式中最重要的就是表征與計算問題，無論是作為“一種替代物”，“一組本體論承諾”，還是“一種媒介”（韋格曼（M.Wageman,1996）），抑或一種“被構(gòu)造出來的作為另一對象的替代物而存在的符號”(劉西瑞，2004)，大家都默認著一個假定，“沒有表征就沒有人類認知”。

動力論的認知范式與其他范式的一個重要區(qū)別是對表征的不同理解。符號主義模型是以符號表征為基礎(chǔ)的。聯(lián)結(jié)主義的表征是以網(wǎng)絡(luò)中的并行式表征或局部符號表征（Globus1992,ThelenandSmith1994;vanGelder1993,1995）為基礎(chǔ)的。但動力論的認知范式則宣稱，一個動力模型應(yīng)當是“無表征的”。

在對聯(lián)結(jié)主義范式的批判中，格洛布斯指出，“表征的過程實際上是在簡化網(wǎng)絡(luò)中的（符號的）計算過程。”在真實的網(wǎng)絡(luò)中是無表征的，它們是變化的；是借助化學變化的自組織過程，因此談?wù)摫碚魇菦]有意義的（Globus1992,p.302），類似的，vanGelder認為“表征概念對于理解認知是不充分的一種詭辯式的東西（sophisticated）（vanGelder，1993，p.6）.ThelenandSmith宣稱“我們根本不去建立什么表征”（ThelenandSmith1994，p.338）！動力主義者認為，對于恰當解釋認知，表征是完全不必要的。

實際上，布魯克斯（R.Brooks）就宣稱，將建造一種完全自動的、能動的行為者（創(chuàng)造物），它們與人類共存于世界上，并被人類認可是有自己權(quán)利的智能存在。創(chuàng)造物在它的動力環(huán)境中必須以隨機應(yīng)變的方式恰當處理問題。它們應(yīng)有多種目標，能適應(yīng)環(huán)境，也能利用偶發(fā)環(huán)境。布魯克斯的方案是把復雜系統(tǒng)分解為部分來建造，再連接到復雜系統(tǒng)中。他所設(shè)計的機器人，是靠控制不同的層次直接與環(huán)境作用，因此他宣稱“根本不需要表征”（1991）。

因此,也有人攻擊動力論范式，拒斥表征無非是對行為主義規(guī)劃的不成功表達的一種強烈暗示。說它是“無表征的”，不如說它是“在某種類型的非計算的動力系統(tǒng)中存在狀態(tài)空間演化的”。

四．對認知科學的動力學范式的批判性考察

動力系統(tǒng)理論對認知行為的連續(xù)性提供了隨時間變化的自然主義的說明。這是其他范式不能說明的，其他范式一般來講是忽略時間概念的。但人類大腦與環(huán)境之間是隨時有信息交流的，而且是處在不斷變化的，暫態(tài)的連續(xù)的認知是隨時間變化的。

動力系統(tǒng)理論的優(yōu)勢是對認知的描述是多元的，是一種經(jīng)驗可檢驗的理論，可以對描述認知系統(tǒng)的微分方程進行修正，也可以用已知的技術(shù)去解這些方程，比起其他理論，它是一種定量的分析，是理解認知的一種確定性的觀點。另一優(yōu)勢是動力系統(tǒng)的描述可以展示人類行為復雜的，混沌的特性。動力論者認為，如此對認知的分析描述，應(yīng)當是已經(jīng)找到了替代認知科學中的符號主義、聯(lián)結(jié)主義的新范式。果真如此嗎

但是前面討論的一些模型外，至今有多少是成功的模型？

對于表征的理解受到質(zhì)疑.

如何保證動力系統(tǒng)的各變量和參數(shù)的恰當選擇？系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性問題。

認知的動力系統(tǒng)雖然不是一種隱喻性的，而是一種定量的分析，但對于定量性描述的因素的選擇基于什么原則？

動力學理論是否構(gòu)成同符合主義、聯(lián)結(jié)主義具有同樣競爭力的第三種范式？

它是對于認知的最有潛力和生命力的新范式？

……