信息科学导论——系统、控制与信息

第1章　认知 1.1　引言 哲学将实践确认为人类与世界的关系的基础[1]，因此人类社会的发展史是人类认识和改造环境乃至世界的实践历史；人类通过科学方法归纳、总结知识而达到认识环境乃至世界的目的，通过演绎等应用知识而达到改造环境乃至世界的目的。人类获取知识及其理解知识的精神活动过程称为认知。具体而言，认知是反映主体人对其感官受体的感觉信号（sense/sensation）、经验（experience）和思想（thought）的思维过程。正如笛卡儿的“我思故我在”所讲，哲学意义上的思维是人类存在的基础[2]。 主体人的认知以自然人的生理为基础，以思维的假设（理性）为条件，以思维的逻辑为主体，以主体输入的客体属性状态信息为内容，以主体人对客体对象的控制、协同为目的，从而实现主体适应环境这一宗旨。 1.2　认知的生理基础 主体人对世界的感知从人体感受器将物理化学刺激转换为神经冲动开始，再由神经系统传导到大脑皮层的感觉中枢。所以人体感受器对物理化学刺激的感知、神经系统对神经脉冲信号的传导、大脑皮层对神经脉冲信号的存储和处理成为人类大脑认知的物理基础。人体感受器分为体内感受器和体外感受器：体内感受器主要感知内脏器官的物理、化学刺激；而体外感受器包括眼、耳、鼻、舌、皮肤，主要感知外部环境的物理、化学刺激。人体感受器对刺激的感觉是认知的前提。 Hebb提出的Hebbian突触可塑性假说认为刺激作用在突触前会使突触连接效率发生改变，从而改变突触后电位的幅度[3-4]。突触可塑性分为短时程突触可塑性和长时程突触可塑性。短时程突触可塑性会显著地改变突触的模式选择性和突触间的信息传递[5]，对神经网络的群体活动具有重要的调控作用[6]；长时程突触可塑性的增强效应与哺乳动物大脑学习记忆的机制有关[7]。因此，突触可塑性被认为与学习、记忆等高级神经元活动有关[8]，且突触活动的可塑性调节被认为是动物学习记忆活动的基本神经生理学机制[9]。这说明认知具有神经生理学基础和训练有助于认知发展（对人类的各种器官的协调训练有助于增强人类的认知）。 从无机物的反应特性到低等生物的刺激感应特性，再到高等动物感觉心理，*后到人类的意识，形成人类认知的演化基础。 1.3　认知的思维 思维的基本形式为概念、判断和推理[10]。概念是人脑反映思维对象（事物/现象）整体本质属性的思维形式[11]，为判断和推理等提供素材，概念（事物/现象的本质特征）的定义即对反映概念的内涵和外延的描述（定性与定量）。判断是断定思维对象（利用概念）的性质、关系、模态等的思维形式，阐明对象、反映事物之间的联系或关系，为推理提供素材。推理是根据判断之间的相互关系推出知识、阐述对象、科学预见的思维形式，主要包括归纳（科学）、演绎（必然推理）与类比（相似性推出）。在概念到判断、判断到推理，然后概括出基本范畴、构建逻辑范畴系统中，思维（辩证思维）起到了决定性作用。主体内在的思维形式需要借助主体的语言或文字进行交流。 主体认知的目的是在对环境有效认识、可靠把握基础上的适应性生存和更好的生活，其关键体现在思维结果的正确性要求上。以思维的假设（理性）为条件，以思维的逻辑为主体，以主体输入的客体属性状态信息为内容，以主体人对客体的控制、协同为目的，从而达到主体适应环境这一宗旨。 在思维过程示意图中，思维结果的正确性源于思维起点的理性假设即思维理性、事物现象相关信息的客观描述和思维过程的逻辑性推理即思维逻辑。 1.3.1　概念 概念是认知在感知和思维的过程下产生的一种意识（另一种是表象）。黑格尔强调，“没有经过思维且未被概念表达的对象仅仅是一个表象，只有经过思维且被概念表达的对象才是其规定的含义”[12]。认知主要包括感知（感觉、知觉、记忆）和思维等过程；表象意识为概念的抽象与构造提供客体对象，概念意识对表象进一步抽象从而构造出概念。人类通过表象和概念的形式反映客体对象及其相互作用的认知（表征思想的概念体系）来认识世界，从而实现“从生活在地球上开始，人类就意识到为更好生活而需要认识和把握其生活环境中的一切事物”。认知的生理基础说明感知可以通过对各种器官的协调训练来增强，同时这也是思维抽象概念系统的基础。 在认知过程中，概念是将感知表象的共同本质抽取出来概括而成的思维元素，概念一般由语言、文字表达，但概念是关于事物本身的描述，而非描述的词语，是抓住事物本质，即反映事物组成元素及其相互作用的定义。概念包括其内涵（intension/connotation）和外延（extension/denotation），内涵反映对象的属性（property），外延指具有其内涵属性的对象范围。概念的定义与视角、层次相关。从逻辑视角看，内涵约束*少的概念的外延（类）*广；每对内涵引入一个约束条件时，其概念的层次就进一步具体规范一层，从而进一步扩大概念的范围限制；对概念内涵的限定进程确定了由概念确定的对象的分类进程，从而形成对象的分类（含元素组成与相互作用等）。按对象属性分类是研究宇宙本性（存在性）本体论（ontology）的一个重要方向；按照对象属性分类构建的概念体系是本体论的一个重要反映。 1.3.2　思维的逻辑 逻辑（形式逻辑）是思维的工具，自亚里士多德以来其占据思维科学的重要位置[13-14]。在由概念组成判断、用判断组成推理的过程中，思维需要遵循一定的形式逻辑。推理主要包括：断定前提与结论之间有必然关系，即演绎推理（deduction，三段论、假言推理、选言推理、关系推理）；断定前提与结论之间有或然关系，即归纳推理（induction，完全归纳法、不完全归纳法-科学归纳法、不完全归纳法-枚举法）；推理到*佳解释的溯因推理（abduction）。推理时需要遵循基本的形式逻辑。面对未知事物，在不知道其事件样本与概率空间的情况下采用科学归纳法。采用推理的论证不仅需要遵循推理所需的基本形式逻辑，还需判断论据的真实性，进而才能判断论题的真实性。在这些思维过程中，思维的形式逻辑需要遵循同一律、矛盾律、排中律和充足理由律。 （1）同一律：同一个概念在逻辑推理中，概念的内涵、外延与判断等不能发生变化，即A是A。 （2）矛盾律：同一思维过程中的两个矛盾思想不能同真、必有一假（可以同假），即A不是非A。矛盾律拒绝已有元素跨界。 （3）排中律：同一思维过程中的两个矛盾思想不能同假、必有一真（可以同真），即A是B或非B。对于两个构成全集的子集，拒绝其他元素加入。 （4）充足理由律：当根据前提推导出结论时，理由必须充分。 1.3.3　思维的理性 思维结果的正确性与思维起点的理性假设有关。由于思维是主体对客体从未知到已知的认知过程，因此思维的理性处于客体对象已知与未知的边缘。将思维的起点恰当、正确地建立在主体对客体对象已知与未知的边缘上关系思维结果的正确性，因此以更多已知的思维结果为思维的起点去推测未知在一定程度上便意味着更理性的思维，这是否意味着更加理性的信仰？对主体所处的环境、世界的测量能有效加深主体认知客体的程度，从而该认知可能更加明晰已知与未知的边缘，从而增加认知起点的置信度。 1.4　认知范式 认知范式是主体人认识客体世界的特定视角、思维方式和概念体系。人类的认知范式源于人类社会的实践，并随人类社会的演化而发展。在人类的认知进程（逻辑）中涉及的要素主要包括：外界客体，主体及其认知机制，知识即主体对客体的认知思维结果，主体对真的判断标准，主体间的合作、交流机制（如语言文字）等。 在认知之初，农耕时代的人类利用自然的方式决定了其认知范式的核心是认知进程中的客体，探求“世界是什么”的本体论（世界论）范式；工业革命时代，人类对自然的改造成就使人类关注认知进程中的思维方式及其知识的认识论问题，出现了对认识对象的可测性及其客体知识、程度和方法进行研究的认识论（意识论）范式；随着知识发展对其载体语言的要求，出现了通过语言的逻辑分析和语义分析来确定和明晰哲学思想的语言学范式；认知进程中自我意识以价值判断为核心的心理情感/心向预期的导引出现，推动了价值论范式的出现；随着哲学的发展，人类逐步意识到认知的基础和前提条件是人类的存在和人类的生活，由此出现人类学范式的研究。 人类认知的结果是获得知识，正如英国经验主义的代表洛克所说，“我们的全部知识是建立在经验上面的”[15]；因为人类的认知范式都是源自人类实践的，是人类采用科学方法总结出来的。 1.4.1　世界观 人类的基本假设（视角和信仰）和思维方式决定其世界观的基础即对世界的认识方式，进一步决定世界观的本质，即思维反映世界的概念及其关系体系。世界观包含本体论（唯物论与唯心论）、认识论（可知论与不可知论）、方法论（辩证法与形而上学）。人类对世界的基本认识中*基础的问题是“物质与意识、存在和思维”的关系，根据其本原的回答分为唯物论与唯心论，唯物辩证法认为物质是本原，物质决定意识，意识反映物质，意识对物质具有能动的反作用；根据世界是否可以被认识分为可知论与不可知论；根据事物运动的原因是内部或外部、事物是否相互联系与变化发展、是否需要系统和全面看待问题，将其分为辩证法与形而上学。 1.4.2　人生观 人生观是指对人生的看法，也就是对人类生存的目的、价值和意义的看法。人生观是由世界观决定的。人生观是一定社会或阶级的意识形态，是一定社会历史条件和社会关系的产物。《孟子 尽心章句上》中“穷则独善其身，达则兼济天下”体现了一种互助协作的人生观。 1.4.3　价值观 价值观是对价值的性质、构成、标准和评价的看法；价值观主要从主体需求、客体能否满足主体需求和客体如何满足主体需求等视角来考察和评价各种物质的、精神/意识的现象，以及主体行为对个人、阶级、社会的意义；本体论中“人类对终极存在的探究蕴含了人类对自身终极价值（衡量人类思想和行为的标准）的追求”。 1.5　科学研究方法 从主体对客体的问题视角看，方法论可分为朴素整体论、还原论和系统论。从主体思维逻辑看，方法论是人类认识、改造世界的方法理论，即用什么方法观察、分析和处理问题。近代方法论源于培根的经验归纳法（实验方法与归纳逻辑）和笛卡儿的理性演绎法（数学方法与演绎逻辑）。方法论从层次上分为哲学方法论（认识世界和改造世界的唯物辩证法）、一般方法论（适用于多领域的从个别到一般的归纳逻辑和从一般到个别的演绎逻辑）和具体方法论。 科学研究方法属于一般方法论中的归纳逻辑方法，其研究过程包括观察现象、归纳假设、设计实验、实验观察、分析验证、提出理论。现有知识体系中的知识主要来源于科学研究方法。 1.6　小结 主体人的认知具有其生理基础；人将外界客体反映经表象、抽象为概念，思维是对概念进行判断、推理；思维理性和思维逻辑是对概念的思维处理正确的必要保障。主体对客体的认知范式决定了主体的世界观、人生观和价值观。科学研究方法是人类知识来源的重要途径。