系統(tǒng)科學是在第二次世界大戰(zhàn)前后興起的。它是以系統(tǒng)及其機理為對象，研究系統(tǒng)的類型、一般性質和運動規(guī)律的科學，包括系統(tǒng)論、信息論、控制論等基礎理論，系統(tǒng)工程等應用學科以及近年來發(fā)展起來的自組織理論。它具有橫斷科學的性質，與以往的結構科學（以研究“事物”為中心）、演化科學（以研究“過程”為中心）不同。它涉及許多學科研究對象中某些共同的方面。系統(tǒng)論、信息論、控制論就是把不同對象的共同方面，如系統(tǒng)、組織、信息、控制、調節(jié)、反饋等性質和機理抽取出來，用統(tǒng)一的、精確的科學概念和方法來描述，并力求用現(xiàn)代的數(shù)學工具來處理。所以，系統(tǒng)科學是現(xiàn)代科學向系統(tǒng)的多樣化、復雜化發(fā)展的必然產物。它在現(xiàn)代科學技術和哲學、社會科學的發(fā)展中具有十分重要的意義，為人們認識世界和改造世界提供了富有成效的、現(xiàn)代化的“新工具”。

一、系統(tǒng)論、信息論、控制論的產生

在人類思想史上，早已有關于系統(tǒng)的觀念。古希臘思想家已提出“秩序”、“組織”、“整體”、“部分”等概念來認識世界。中國古代陰陽五行學說把事物看成相生相克的整體。但作為研究各種系統(tǒng)一般原則的系統(tǒng)論則是于本世紀20～30年代，由美籍奧地利生物學家貝塔朗菲提出的。貝塔朗菲和一些科學家在20年代中期提出了機體論，創(chuàng)立了機體系統(tǒng)論的生物學研究方法，把協(xié)調、秩序和目的性等概念和數(shù)學模型應用于有機體的研究，主張把有機體作為一個整體或系統(tǒng)，用生物與環(huán)境相互關系的觀點來說明生命現(xiàn)象的本質，從而解釋以往機械論所無法解釋的生命現(xiàn)象。貝塔朗菲機體論的基本思想是：（1）整體觀點；（2）動態(tài)結構與能動觀點；（3）組織等級性觀點。這些基本思想已包含了貝塔朗菲后來提出的一般系統(tǒng)論的基本內容。他先后發(fā)表了《理論生物》、《現(xiàn)代發(fā)展理論》、《關于一般系統(tǒng)論》等著作，對系統(tǒng)概念、整體性、集中性、終極性以及封閉系統(tǒng)、開放系統(tǒng)等都作了深刻論述，從而奠定了現(xiàn)代系統(tǒng)論的基礎。

信息論是本世紀40年代在現(xiàn)代通信技術發(fā)展的基礎上誕生的，是研究信息的獲取、儲存、傳遞、計量、處理和利用等問題的一門新興學科。上世紀30年代以后，科學技術所發(fā)生的革命性變化，主要表現(xiàn)在信息方面，表現(xiàn)在信息的傳遞、存儲、加工處理等技術和通信、控制技術以及人工智能的發(fā)展，其實質是人的思維器官的伸展，使人的腦力勞動的解放。

1924年美國奈奎斯特和德國居普夫、繆勒等人發(fā)現(xiàn)電信號的傳輸速率與信道帶寬度成比例關系，從而最早提出了信息問題。1928年，哈特萊發(fā)表《信息傳輸》，首先提出信息是包含在消息中的信息量，而代碼、符號這類消息是信息的具體方式。他還提出了信息定量問題，認為可以用消息出現(xiàn)概率的對數(shù)來度量其中所包含的信息。另一方面，作為信息論數(shù)學基礎的概率論也得到飛速發(fā)展。在這種條件下，許多科學家從不同角度對信息論的基本理論進行了研究。1948年香農發(fā)表《通訊的數(shù)學理論》，把物理學中的數(shù)學統(tǒng)計方法用于通訊領域，提出了作為負熵的信息公式和信息量概念，給出了信息的定義，為現(xiàn)代信息理論奠定了基礎。從此，信息論作為一門獨立學科而出現(xiàn)。隨著信息論滲透到心理學、神經生理學、生物學和語言學等領域，信息論的含義越來越廣泛。50多年來，信息論與系統(tǒng)論、控制論交織在一起獲得迅速發(fā)展，形成一種綜合性的信息科學。

控制論也是上世紀40年代末在通訊技術發(fā)展的基礎上產生的。美國數(shù)學家維納被認為是現(xiàn)代控制論和信息科學的創(chuàng)立者。第二次世界大戰(zhàn)期間，維納將數(shù)學工具應用于火炮控制系統(tǒng)，處理飛行軌跡的時間序列，提出了一套預測飛機將要飛到的位置，使火炮準確擊中的最優(yōu)辦法。而火炮控制系統(tǒng)中一個重要問題就是如何將控制裝置的誤差反饋回來作為修正下一步控制的依據(jù)。維納從生理學家羅森勃呂特那里了解到人的神經系統(tǒng)與火炮控制系統(tǒng)有相似之處，都有反饋不足和過度的問題，本質上是對信息的一種處理。于是開始找到了人、動物與機器在控制、通訊方面的共同點。維納與羅森勃呂特合作發(fā)表《行為、目的和目的論》一文，論證了目的性就是負反饋活動。1948年，維納所著的《控制論》一書出版，它標志著控制論的正式建立。1950年，維納發(fā)表《人有人的用處——控制論與社會》一書，對控制論作了更廣泛通俗的闡述。與信息科學的發(fā)展緊密聯(lián)系，控制論的基本概念和方法被應用于各個具體科學領域，研究對象從人和機器擴展到環(huán)境、生態(tài)、社會、軍事、經濟等許多部門，使控制論向應用科學方面迅速發(fā)展。

二、系統(tǒng)科學的新進展

20世紀50年代以后，出現(xiàn)了一股研究現(xiàn)代系統(tǒng)理論的熱潮，陸續(xù)出現(xiàn)了各種新的系統(tǒng)理論，如：普利高津的耗散結構理論、哈肯的協(xié)同學、費根鮑姆等的混沌理論。

耗散結構理論是比利時理論生物學家普利高津首次提出來的。德國物理學家克勞修斯提出的熱力學第二定律，無法解釋系統(tǒng)從無序到有序、從簡單到復雜、從低級到高級的進化過程，這引起了普利高津的興趣。1969年，他終于發(fā)現(xiàn)：一個開放系統(tǒng)在從平衡態(tài)到近平衡態(tài)再到遠離平衡態(tài)的非線性區(qū)時，系統(tǒng)內某個參量的變化達到一定閾值，通過漲落，系統(tǒng)就可能發(fā)生突變，由原來的無序狀態(tài)變?yōu)樵跁r間上、空間上或功能上的有序狀態(tài)，形成一種動態(tài)穩(wěn)定的有序結構。這種新的有序狀態(tài)必須不斷地與外界進行物質、能量和信息的交換，才能維持一定的穩(wěn)定性，而且不因外界微小的擾動而被破壞，因而稱為耗散結構。這種耗散結構能夠產生自組織現(xiàn)象，所以耗散結構理論也叫“非平衡系統(tǒng)的自組織理論”。它解決了開放系統(tǒng)如何從無序轉化為有序的問題，對于處理可逆與不可逆、有序與無序、平衡與非平衡、整體與局部、決定論與隨機性等關系提出了良好的思考方法，從而把一般系統(tǒng)論向前推進了一大步。

協(xié)同學是由德國物理學家H·哈肯于1970年創(chuàng)立的。它以信息論、控制論、突變論等為基礎，采用統(tǒng)計學和動力學考察相結合的方法，通過類比，對各類系統(tǒng)中從無序到有序的現(xiàn)象建立一整套數(shù)學模型和處理方案。它是耗散結構理論的突破與推廣，也是一門關于自組織的理論。它進一步指出了一個系統(tǒng)從無序向有序轉化的關鍵并不在于熱力學平衡還是不平衡，也不在于離平衡態(tài)有多遠，而在于只要是一個由大量子系統(tǒng)構成的開放系統(tǒng)。耗散結構理論只討論了遠離平衡態(tài)系統(tǒng)從無序向有序的轉化，而協(xié)同學除了分析系統(tǒng)的“協(xié)同作用”外，進一步解決了近平衡態(tài)系統(tǒng)從無序向有序的轉化。協(xié)同學開始只限于研究一個非平衡開放系統(tǒng)在時間和空間方面的有序問題，哈肯在《協(xié)同學：最新趨勢與發(fā)展》一文中將協(xié)同學的內容擴展到功能有序。哈肯注意到混沌現(xiàn)象的重要性，認為一個非平衡的開放系統(tǒng)不僅可以從無序到有序，而且也可以從有序到混沌（指由決定性方程所描述的不規(guī)則運動）。這一發(fā)現(xiàn)使協(xié)同學進入到一個新階段。1981年，哈肯在《20世紀80年代的物理思想》一文指出，在宇宙中也呈現(xiàn)有序結構。這些說明，無論是在宏觀領域還是在微觀領域，只要是開放系統(tǒng)，就可以在一定條件下呈現(xiàn)出非平衡的有序結構，都可以成為協(xié)同學的研究內容。

耗散結構理論和協(xié)同學在創(chuàng)立初期，著重研究系統(tǒng)是如何從混沌到有序的發(fā)展，并找到了一些系統(tǒng)從混沌到有序發(fā)展的機制和條件。80年代以來，人們在探索“熱混沌”與“非平衡混沌”的聯(lián)系和區(qū)別之后，著重研究系統(tǒng)怎樣從有序進入新混沌，以及混沌的性質和特點等問題?；煦缋碚搹目茖W上進一步說明了自然界有序和無序的辯證統(tǒng)一、確定性和隨機性的辯證統(tǒng)一。

三、系統(tǒng)科學與教學設計的關系

⒈ 教學設計是系統(tǒng)科學在教學領域的應用

教學設計是涉及到人的因素的活動，教學設計的最終目標是改變人，教學設計中最重要的因素是人。而人是最復雜的系統(tǒng)，至今關于人的研究還在探索中，這些造成了教學設計對人際交流的教學過程研究的復雜性。作為教學設計的理論基礎，心理科學和教學科學研究成果眾多，如何把這些原理協(xié)調起來，整合到一起，成為人們研究的領域。

系統(tǒng)科學認為系統(tǒng)即由相互作用和相互依賴的若干組成部分結合成具有特定功能的有機整體。世界上一切事物、現(xiàn)象和過程都是有機整體，它們自成系統(tǒng)、互為系統(tǒng)。任何一個系統(tǒng)和周圍的環(huán)境組成一個較大的系統(tǒng)，而它的各個組成部分都可以看作其子系統(tǒng)。系統(tǒng)科學產生之后就為帶有復雜性的研究提供了科學依據(jù)。

20世紀50至60年代期間，系統(tǒng)科學方法在美國軍事、工業(yè)、商業(yè)、空間技術等領域得到空前成功的應用。在這些成功應用實例的推動下，系統(tǒng)方法也在教育界受到重視，60年代末期開始教育技術研究者致力于系統(tǒng)方法應用于教學實際的研究，形成教學系統(tǒng)方法，并應用于各級層次的教學系統(tǒng)的設計之中，建立起教學設計的理論與方法。

教學設計首先是把教育、教學本身作為整體系統(tǒng)來考察。以這種系統(tǒng)思想作指導，我們把為達到一定的教育、教學目的，體現(xiàn)一定的教育、教學功能的各種教育、教學組織形式看成教育系統(tǒng)或教學系統(tǒng)。如學校是一個教育系統(tǒng)，是社會系統(tǒng)的一個子系統(tǒng)。社會向學校教育提出人才的要求，提供教育資源(如教職員、教材、設備、設施等)等，而學校系統(tǒng)則通過各類教育工作把學生培養(yǎng)成社會需要的人才。學校系統(tǒng)是通過反饋信息來進行調整，以保持在社會系統(tǒng)中的動態(tài)穩(wěn)定。教學系統(tǒng)是教育系統(tǒng)的子系統(tǒng)，它可以是指學校的全部教學工作，也可以是一門課程，一個單元或一節(jié)課的教學；當然也可指為達到教學目的、目標而組織的機構和方法、作為一種執(zhí)行控制的教學信息傳遞過程，教學系統(tǒng)包含了教師、學生(均為人員要素)、課程(教學信息要素)和教學條件(物質要素)四個最基本的要素，組成系統(tǒng)的空間結構；而教學目標、教學內容、教學方法、教學媒體、教學組織形式和學習結果等過程性要素形成系統(tǒng)的時間結構。這些要素之間相互作用、相互依賴、相互制約又構成系統(tǒng)輸入和輸出之間復雜的運行過程，也就是我們常說的教學過程。教學系統(tǒng)的功能就是教學過程運行的結果。

面對包含各種要素的復雜教學系統(tǒng)，該如何綜合考察、協(xié)調和控制各個要素，以保證系統(tǒng)的順利運行和完成系統(tǒng)功能呢？其有效的方法就是要掌握系統(tǒng)方法。系統(tǒng)方法就是運用系統(tǒng)理論的觀點、方法，研究和處理各種系統(tǒng)問題而形成的方法，即按照事物本身的系統(tǒng)性把對象放在系統(tǒng)的形式加以考察的方法。它側重于系統(tǒng)的整體性分析，從組成系統(tǒng)的各要素之間的關系和相互作用中發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的規(guī)律，從而提供解決復雜系統(tǒng)問題的一般步驟、程序和方法。系統(tǒng)分析技術、解決問題方案的優(yōu)化選擇技術、問題解決策略優(yōu)化技術以及評價調控技術等于技術構成了系統(tǒng)方法的方法體系和結構。

系統(tǒng)科學指導下的教學設計的特點：

教學設計把教學系統(tǒng)作為一個整體來進行設計、實施和評價，使之成為具有最優(yōu)功能的教學系統(tǒng)。在系統(tǒng)科學指導下的教學設計以學習需要為開始，在確定學習需要之后，在對學習者和學習內容以及各種教學策略進行分析的基礎上，通過系統(tǒng)的策略優(yōu)化技術確定教學策略，實施教學策略，在實施的過程中進行形成性評價和實施后的總結性評價，力圖使通過教學設計后的教學系統(tǒng)滿足學習者的學習需要，促進學習者的發(fā)展。

在教學設計實施過程中，各種分析技術是教學設計成功的保證。教學設計在系統(tǒng)科學的指導下，把構成教學系統(tǒng)的元素分成整個教學系統(tǒng)的子系統(tǒng)，通過這些子系統(tǒng)的分析、研究，獲得教學設計成功的條件。這些對子系統(tǒng)的分析，通過系統(tǒng)科學的方法整合在一起，獲得1+1>2的效果。

教學設計綜合教學系統(tǒng)的各個要素，在教學設計的經驗基礎之上，把運用系統(tǒng)方法的設計過程加以模式化、提供一種實施教學系統(tǒng)方法的具體可操作的程序與技術。經過人們的實踐研究，系統(tǒng)科學在教學領域的應用獲得成功，目前，幾乎所有的教學設計模式都是采用系統(tǒng)科學方法構建，并且把教學設計和教學系統(tǒng)設計看成同義詞。

⒉ 系統(tǒng)科學的發(fā)展帶動了教學設計的發(fā)展

系統(tǒng)科學的發(fā)展給教學設計帶來了新的發(fā)展空間。系統(tǒng)科學作為一個科學體系，它的完善和發(fā)展直接帶動了教學設計的完善和發(fā)展。

在系統(tǒng)科學產生初期，系統(tǒng)論、信息論、控制論是系統(tǒng)科學的主流，在這種情況下，教學設計大量的借用了這三種理論，在形成的教學設計模式中，關注各種信息（學習者的信息、學習需要的信息、教學信息等）的流程，以及教學的控制功能，強調線性流程，強調外部控制作用。

作為系統(tǒng)科學的新發(fā)展的耗散結構理論、協(xié)同學、混沌理論給教學設計的發(fā)展帶來新的發(fā)展空間。新的系統(tǒng)理論，強調了非線性、強調了不可預測性，這樣的理論有利于改善長期存在教學設計領域的線性控制，改善教學設計的線性思維，擴展教學設計理論。但是，目前的教學設計理論并不能把系統(tǒng)科學的新進展有效地融入到教學設計領域，人們對非線性的教學設計的研究依然在探索中。