论科学发现作为问题解决的特殊性——对赫伯特#183;西蒙机器发现研究的分析，本文主要内容关键词为：赫伯特论文,西蒙论文,发现论文,特殊性论文,机器论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
中图分类号：N031 文献标识码：A 文章编号：1000-8934(2011)010-0001-06
赫伯特·西蒙(Herbert A.Simon，1916-2001)是具有认知心理、人工智能、管理学、经济学、哲学等多学科研究背景的知名学者①。他研究涉猎广泛，在多个领域的研究都紧紧围绕着人类认知的普遍问题展开。在其科学哲学思考中，西蒙的中心议题之一就是科学发现。他结合认知研究指出，科学发现是科学活动的重要特征，科学发现是问题解决的一种形式，科学发现的过程就是解决问题的过程。在此观点基础上，他创立了使用计算机程序模拟科学发现思维过程的研究方法，即机器发现(Machine Discovery)研究。
从问题解决的视角分析科学发现，是科学哲学认知转向的一部分。逻辑实证主义者将科学发现排除在科学哲学研究对象之外，西蒙则通过认知科学研究与哲学研究的结合，捍卫科学发现在认识论研究中的合法地位，将科学发现重新纳入科学哲学研究的视野。他通过分析科学发现的思维机制，驱除笼罩在科学发现研究上的神秘主义和不可知论观点，为科学发现的研究开辟了新的方向。他的机器发现研究提供了科学发现研究的新手段。这些研究也引出许多值得探讨的问题，其中之一，就是科学发现作为问题解决的特殊性问题。
1 科学发现作为问题解决的共性与个性
西蒙将问题解决视为人类认知的基本过程，强调科学发现是问题解决的一种类型，表明科学发现的认知过程具有问题解决认知过程的共性，与普通思维过程不存在本质区别。这些共性包括：首先，问题解决是在巨大的可能性空间中进行选择性搜索的过程。这种搜索依赖于以经验为基础的启发式(heuristic)，启发式越有力，问题解决的效率就越高。其次，启发式有“强方法”和“弱方法”之分。强方法的专业针对性强，弱方法适用性广。再次，最重要并最为广泛使用的启发式是手段—目的分析(means-ends analysis)，即通过对比目前状况与目标状况，进而消除两者差距以接近目标。最后，问题解决过程中，搜索的成效与在记忆中存储知识的多寡相关[1]。
在强调科学发现作为问题解决的共性之外，西蒙绕不开的一个问题是：作为问题解决的科学发现与其他问题解决有何区别？科学发现是问题解决的一种特殊类型，其特殊性如何体现？如果这个问题得不到回答，科学发现研究的独特意义也会受到质疑。从而，科学发现作为问题解决，引出了科学发现与其他问题解决区别的探讨。概括起来，西蒙对此问题有五方面的思考：
第一，与其他问题解决活动相较，在科学发现中，问题解决者所要解决的问题是不良结构问题。所谓不良结构，是指科学家面对的问题的最初形态是模糊、不明确的，并且目标具有显然的不确定性[2][3]，他们需要逐步地建构出需要解决的问题[4][5][6][7]。例如，达尔文在考察生物多样性和收集化石标本时，并不知道他的探究最终达到的目的地是什么。但随着大量观察证据的累积，他在读到马尔萨斯的《人口论》时，犹如电光火石般，模糊的问题突然清晰了，这就是：新的物种通过什么方式产生？
第二，科学发现的问题解决过程是漫长的，科学家需要在相当长的时间内持续全神贯注于问题，并坚持不懈地努力解决问题[4][5][6]。从细节上考察，科学发现是一个缓慢和令人痛苦的过程，同时也是稀有事件，其成功背后堆积着不计其数的失败[8]。在这方面，科学史能贡献大量相关事例。例如，开普勒耗费4年多的时间，尝试了19种可能路径，才终于通过计算发现火星的轨道是椭圆形的。他在发现开普勒行星运动第一定律和第二定律(同时发表于1609年)后，花了9年时间才发现第三定律。而牛顿花费了20年的时间才获得万有引力问题的答案。
第三，科学发现的做出需要具备相关领域和潜在相关领域的广阔背景知识。这些背景知识被编码在记忆中，通过数据或理论呈现的线索激发出来[6][7]。专家级学者的记忆中一般储备有5—20万个组块②的相关知识。西蒙特别指出，认为科学发现是问题解决，与普通思维过程没有本质区别的观点，并不是认为，普通人可以直接走进实验室进行科学发现活动。相反，专业科学实践需要专门方法和技术的广泛累积。科学家在专业训练时期和职业生涯过程中，需要逐渐搭建起一个关于学科的历史、现象、理论、程序、工具、设备、实验、方法，甚至发表活动，及其社会、政治蕴涵等方方面面的资料库[9]。
第四，科学发现的问题解决过程更为依赖弱方法。因为要解决的问题是非良性结构的，线索不明显，使得专业针对性强的启发式难以发挥作用。西蒙认为，如果将各类问题解决活动视为一个边界模糊的同心圆，位于中心的是解决良性结构问题的活动，那么离圆心越远的活动面对的问题结构越不良，相应问题的解决也更需要创造性。位于问题解决外边界的科学发现面对的问题不那么结构良性，识别机制能够依赖的线索不多，更需要弱方法的应用。问题解决越有创造性，所使用的工具或方法就越简单。也许这就是为什么“孩子似的”特征，例如好奇心等，通常可以在富有创造性的科学家和艺术家身上看到的原因[9]。
第五，作为一种解决问题的活动，科学发现活动是一个通常包含许多科学家，并且延续很长时间的社会过程[2][3]。与之相较，其他人类问题解决活动相对耗时较短。例如，心理学实验中给个体被试提供的问题，通常在几个小时内就可以完成。
2 科学发现问题解决特殊性探讨
上述区分科学发现与其他问题解决的特征，能否较好地将科学发现与其他问题解决区分开来？这里的其他问题解决指的是什么？这都是值得探讨的。
就第一个方面的特点来看，非良性结构的问题特征覆盖面如何？在科学史中可以发现，一些问题的目标是明确的。例如，天王星运行轨道异动现象问题的求解，就是根据牛顿万有引力假说在天王星的绕日轨道外侧，寻找太阳系的一颗未知行星。因此，亚当斯和勒维列通过计算实现对海王星的发现是有明确目标的问题解决活动。按照库恩的观点，科学发展的常态是常规科学时期，大部分科学家从事的是常规科学的问题解决活动，也即他所说的在范式指导下进行的“解谜”。这些被称为“谜题”的问题，解答是确定的，解答的性质和解决问题的步骤也是明确的[10]。
那么，科学发现既包括常规科学中的问题解决也包括科学革命中的问题解决吗？西蒙没有明确回答这个问题。结合他对科学发现问题特征第一个方面的思考来看，科学革命中的问题解决更符合不良结构问题解决过程的特征——科学家们所面对的问题形态较为模糊、目标较不确定；常规科学中需要解决的问题则形态、目标明确。从而可以推断，作为问题解决的科学发现与科学革命中的问题解决指向一致，未涵盖常规科学的问题解决。
西蒙对科学发现第一个特点的概括，与库恩对常规科学和革命科学的理解有一致性。库恩将科学发展概括为这样一幅图景：从各种学派相互竞争的前科学时期，进入确立了主导范式的常规科学时期，然而反常出现最终引发科学革命，范式转换后进入新常规科学时期，科学发展在如此反复中不断推进。库恩指出，常规科学即是解谜，是具有高度确定性的活动，只是对已有科学知识广度和精度的稳定扩展；而科学发现是在意识到反常后开始萌发的，能导致新事实或新理论的产生。从这种观点出发，海王星发现之类的问题解决活动只是牛顿范式内的解谜，是对牛顿万有引力假说的印证，还难以纳入科学发现问题解决的范畴。
西蒙概括的科学发现第一个特点，将科学发展中的问题解决划分成两种类型：常规科学中的问题解决和科学革命中的问题解决，后者即科学发现。这两种类型问题解决活动之间的关系，类似于西蒙对问题解决的良性结构圆心到不良结构边界的同心圆比喻。从而，西蒙从创造性程度的角度将科学发现与常规科学问题解决区别开来。
就科学发现作为问题解决的第二个特点来看，漫长的解决过程和坚持不懈地努力能够将科学发现与常规科学的问题解决较好地区别开来吗？一些常规科学问题解决活动，受到主客观条件的限制，也同样需要耗费较多时间、投入较多精力来完成。所以，坚持不懈只是实现科学发现，产生创造性成果的一个必要条件而已。只作为科学发现必要条件的类似情况也存在于第五个方面。因为许多常规科学的问题解决同样包含多个参与主体。
可以看到，西蒙对科学发现问题解决过程耗费大量时间进行了反复强调，强调不仅出现在第二个特点的概括中，也出现在第五个特点中。为什么西蒙反复强调这一点？这与他对科学发现哲学研究所持的立场和所反对的观点相关。西蒙从一开始，就致力于将科学发现重新纳入科学哲学研究的视野，为此，他尤为反对波普尔否定科学发现逻辑存在的观点。这种立场同样体现在，他反对将科学发现视为某一时刻产物，或视为思维灵光闪现产物的观点上。因为这类观点或将科学发现的过程片面化，或导向一种将科学发现神秘化、非理性化的立场。西蒙认为，科学发现是一系列过程的产物，这个过程包含了发现问题，发现新数据、新现象、新定律等众多任务的完成。即使是顿悟、直觉、灵感等这些常被用于描述科学发现思维过程的词汇，也有自身机制和内在逻辑，不是与理性相对立的现象和体验。
西蒙强调，科学发现是创造性的问题解决活动。创造性的强调不仅蕴含在科学发现第一个特点的概括中，也体现在第三和第四个特点的概括中。就第三个特点而言，同其他做出创造性成就的问题解决者一样，科学发现者需要大量的背景知识作为基础，而这些知识的累积需要很长的时间。在对国际象棋研究的过程中，西蒙发现：国际象棋大师记忆中存储的棋局组块(由3—4个棋子组成)至少有5万个以上，而从新手成长为国际大师所需的累积时间不少于10年[11]，数学家、作曲家、科学家等都是如此。这是创造力研究中“十年规则”(10-year rule)观点的雏形。
作为创造性的问题解决，西蒙指出，科学发现的思维过程需要打破传统，可能需要对已经被接受的观念进行修正甚至是拒斥[12]。这与第四个特点相联。强方法的难以奏效，需要问题解决者另辟蹊径，或是摆脱常规思维模式，甚至是对问题本身进行重构，方能获得突破。对于常规科学来说，遵循范式进行问题解决就是沿着传统前进，而在科学发现中，革命性成果的获取往往是建立在原有范式的抛弃和突破的基础上。
西蒙通过科学发现与其他问题解决活动的五个区别，对科学发现的独特性进行了勾勒。这些区分，也将科学发现与常规科学中的问题解决活动区分开来。这进一步引发问题：科学发现和常规科学中的问题解决活动都是解决科学问题的活动，科学发现与科学问题解决的关系如何？这个问题也与西蒙的机器发现研究引发的争议相关。
3 科学发现解决的科学问题
西蒙的机器发现研究以“科学发现即是问题解决”为工作假设。机器发现研究聚集了科学史、人工智能、认知心理学和哲学的智慧，没计者通过翻阅文献获取历史上做出科学发现的科学家拥有的原始数据和相关资料，编制计算机程序模拟科学发现的思维过程，剖析其中采用的科学方法，再使用认知心理学实验对人类被试进行相应的测试检验。已研制的机器发现程序成功模拟了一系列数字定律、定性定律、结构模型和过程模型的发现。
西蒙将机器发现程序称为再发现(rediscovery)程序。在他指导下研制的、最知名的BACON系列机器发现程序，在提供原始数据后，可以使用启发式搜索的弱方法，以定律形式得到开普勒第三定律、波义耳定律、欧姆定律等10余个历史上的科学发现成果。西蒙指出，机器发现程序就是对“科学发现即问题解决”理论的检验。但西蒙的观点和相关研究都受到了许多学者的质疑。一些学者认为，这些程序做出的不是发现。另一些学者更指出，程序的模拟能否体现科学发现的创造性？
例如，心理学家西克森特米哈伊反对西蒙将科学发现视为问题解决，反对将机器发现程序作为“科学发现即问题解决”的证据。他认为机器发现程序解决的只是“被呈现的问题”，而科学发现解决的是“被发现的问题”。“被呈现的问题”的问题和解决办法是已知、公认的，问题解决者可以通过回忆相应方法来解决问题。例如学生的课堂解题活动。“被发现的问题”的问题和解决方法对于问题解决者和他人都是未知的，是包含了问题发现、问题明确表述、问题解决等的真正创造性过程[13]。
这些相关争论有助于深入思考科学发现与科学问题的关系。科学问题与其他问题不同，科学问题的认识目标是获得关于自然的规律性认识；科学问题的解决依赖于具有可错性、可检验性、预见性、层次性和逻辑相容性的科学知识，而不是哲学知识、宗教知识或其他；科学问题的解答具有可检验性、可重复性、可错性和精确性等特点。科学发现解决的是科学问题，但解决科学问题不等于做出科学发现。在科学问题中可区分出“传承性科学问题”和“发展性科学问题”两类问题。传承性科学问题是相对于整个科学知识体系来说，已经被解决了的问题。发展性科学问题指以已有的科学知识尚不能解答或不能完满地解答的问题。学生在课堂上解决的、计算机的再发现解决的是科学问题，但其解答并没有提供新的认识成果，属于传承性科学问题。科学发现则不同，其问题的解答相对已有的科学知识来说应具有新颖的、独创的特征，能够为整个科学知识体系添砖加瓦，属于发展性科学问题。
两类科学问题都具有探索性的特质，即其解决过程是从未知到已知的探索。学生和计算机等认识个体通过解决科学问题认识世界、继承已有的科学知识，通过发现进行学习。在这个过程中，这些传承性问题指向的科学事实、科学定律，对他们来说是未知的，问题的解决过程对他们来说是从未知到已知的探索过程。发展性问题的解决也是从未知到已知的过程。发展性问题是科学知识发展到一定阶段产生的，是随着人类认识成果的累积，不断提高的认识起点和新的探索目标。当个体认识主体掌握了相关的背景知识、技能，成为科学共同体的一员，他们科研活动的直接目标就是解决发展性问题。发展性问题解决产生的独创性成果使得科学知识能以较小或较大的增幅发展。
传承性问题包括了已经被解决的科学问题。有学者认为已解决的科学问题不再是科学问题，因为科学问题的特点在于探索性。但传承性科学问题也可以包含探索性。对学习者而言，他们解决那些有公认答案科学问题的过程是探索未知的过程，同时也是通过发现学习科学知识、方法的过程。这种类型的科学问题解决活动是再发现活动，是人类学习和传承知识的需要。发现本身也是一种学习，是从环境中自发地进行学习的过程。从另一个角度来说，发展性科学问题也包含了传承性，因为任何一个科学问题都不是无源之水、无本之木，必然有其前提和基础。
传承性问题和发展性问题之间也并非截然两分。将两者视为科学问题连续统一体的两极更为恰当。在这两极之间，会有一些问题既具有传承性问题的某些特点，也具有发展性问题的某些特征。学习者可以运用学到的科学知识解决一些还未曾有答案的问题。这些问题虽然还没有公认的答案，但可以通过已有知识的应用得到一定程度或完全的解决。科学家在常规科学中的问题解决活动，就有类似的特点，即在学科范式内展开科学活动的实践。
从问题解答的角度来看，什么算作已解决的科学问题？如果说问题的解答被纳入科学知识体系中是科学问题已解决的标准，科学史上却不乏推翻已有知识的案例。科学问题的特征之一就在于其解答的可错性。并且同样的问题也可以有不同的解答。欧几里德几何学到非欧几里德几何学的发展即是如此。同样的解答可以有不同的表达方式，更好解答被发现的可能性始终存在。在这个意义上，已解决的科学问题不过是暂时得到了一个令人满意的解答。
图1 科学问题、发现与认识主体关系示意图(本文作者自行整理)
在概念上，需要将“发现”与“科学发现”区分开来。就科学问题解决产生的发现来说，与传承性问题和发展性问题相对应，可以区分出“学习发现”和“科学发现”两极(如图1所示)。③学习发现面向个体认识主体，如上述的学生、计算机等学习者；科学发现面向社会认识主体。个体认识主体对世界的认识可视为从零开始，而社会认识主体则不是。个体认识主体是具体的个人，以及在更广阔意义上具有学习能力的动物和机器。社会认识主体则相对抽象，是由整个人类社会或“社会化了的”人们构成的认识主体[14]。每一个体认识主体都属于一定的社会认识主体。在社会认识主体和个体认识主体之间还可以区分出团体认识主体。在科学问题解决中，团体认识主体指科学共同体(scientific community)。
实际上，不论是传承性问题的解决或者发展性问题的解决，还是学习发现或科学发现，都体现了一定的创造性。因为这些问题解决过程都是以探索未知为认识目标的，所获取的认识成果在一定程度上、一定范围内都具有原创性和新颖性的特征。这里的创造性有个体心理和历史两个层面的参照系。第一个层面的参照系中的创造性，以突破个体已有的观念为衡量标准，称为P-创造性(psychological creativity)。第二个层面的创造性，以突破整个人类历史中所有的思想成果、产品和行为等为衡量标准，称为H-创造性(historical creativity)。H-创造性以P-创造性为前提，但并非所有的P-创造性都能发展为H-创造性[15]。传承性问题的解决和学习发现体现的是P-创造性，发展性问题解决和科学发现体现的是H-创造性。
科学发现解决的是发展性科学问题。西蒙的机器发现研究中，程序虽然做出的不是科学发现，但模拟了从未知到已知的科学问题解决过程，通过传承性科学问题的解决，学习发现的实现来模拟历史上科学家做出科学发现时的思维过程，与“再发现”的名称相符。程序的模拟性质，决定了它解决的科学问题类型是传承性科学问题，有较为明确的问题、较为确定的问题答案，属于西蒙划分的良性结构问题。但这并不妨碍机器发现程序通过问题解决体现一定的创造性，即P-创造性，进而为考察科学家在科学发现过程中使用的思维方法提供有力的参考。
4 小结
西蒙提出科学发现是问题解决的一种类型。这种考察科学发现的认知视角和观点，丰富了对科学发现的认识。他提出科学发现作为问题解决的五个特点，将科学发现的创造性特征通过问题解决的角度呈现出来，并将科学发现与常规科学的问题解决活动区分开来。在问题解决的框架中，科学发现所解决的科学问题与机器发现程序解决的科学问题性质不同，前者解决的是发展性科学问题，后者解决的是传承性科学问题。这两种类型的科学问题解决都可以产生发现，但只有发展性科学问题的解决才能得到科学发现。鉴于科学发现的不可复制，机器发现的模拟可作为已经做出的科学发现思维方法的分析工具。这同时也是科学发现作为问题解决特殊性的体现。
注释：
①西蒙是认知心理学、人工智能的创始人之一，也是中国科学院首批外籍院士之一。他在多个研究领域建树颇丰，曾获得1975年图灵奖、1978年诺贝尔经济学奖、1993年美国心理学会杰出终身成就奖、1995年国际人工智能学会终身荣誉奖和美国公共行政管理学会瓦尔多奖等。
②组块(chunk)是人对信息进行组织或加工的单位。
③日常生活中，“发现”一词常被使用，例如：“我发现回家的路上有一家店卖的面包味道不错。”但这里的“发现”是日常语言中对一种新单一事实的陈述，不是本文尝试讨论的获取科学知识的类型的“发现”。