郦全民:科学的分布认知及其新特点

选择字号:   本文共阅读 1124 次 更新时间:2022-02-04 23:15

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郦全民  

内容提要:与日常的常识认知相比,科学认知内在的是分布的。随着科学的发展,科学中的分布认知变得越来越多样和复杂;特别是,互联网已经对科学认知的方式和分布结构带来实质性的影响。

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与日常的常识认知活动相比,在科学认知的过程中,研究者通常要借助仪器去观测对象,要利用工具去完成复杂的计算,也要通过媒介进行信息交流和分享。这意味着科学认知不仅发生在个体或个体的心智中,而且分布于其他个体、工具和媒介。简言之,科学认知是分布的。那么,科学的分布认知究竟有哪些基本特征?当下,又呈现什么样的新特点?本文中,笔者试图对这两个问题作些初步的回答。

一、什么是分布认知

在探讨科学的分布认知之前,我们先来看看究竟什么是分布认知。在日常认知活动中,当遇到的问题和情景相对简单,个体(作为认知主体)通常并不需要他人的合作或外在工具的帮助,就能完成具体的认知任务。比如,当你拿着一张百元的人民币,去附近的一家商店买件10元的商品,你的心智一般可快速地算出,得找回90元。不过,如果认知的任务复杂一些,比如你一下子去商店买几十件价格不等的商品,可能就需要求助于计算器或者他人的帮助(当然,倘若你心算能力很强,也大可不必)。如果你使用了计算器,或者你报每件商品的价格,由你随行的家人或朋友将价格累加,则完成计算的认知任务便是分布的。这表明,虽然在日常生活的大多数情况下,个体凭借自身的心智运作就能实现认知过程,但如果任务变得复杂,则可能需要借助分布认知。

由此可见,所谓分布认知,就是一个认知主体与其他认知主体之间协同或借助认知工具来开展的认知活动。这里,预设了认知并不局限于个体的心智或大脑,而是可以分布于其他个体或认知工具。①可以看出,这个预设会引发争论,因为有人可以坚持认为:认知只是每个个体的心智活动过程,而他人或工具只是个体开展认知活动的外在条件,故不应看作认知过程的构成要素。比如,在上面的例子中,如果你借助计算器累计商品的价格,这时,计算器只是帮助你开展认知活动的外在工具,而真正的认知活动应该是你运用感官获得商品及其价格的视觉信息,记忆这些信息并理解其意义(什么商品,这个价格对于这件商品而言是否物有所值,等等),决定用计算器来累计价格,等等。这些都是心智中的活动,因而是被理解的和有意义的。至于用计算器累计价格,其实只是对数字符号的操作(物理上为电子的流动),其中不包含理解成分,本身也就没有意义,故不能作为认知过程或认知的构成要素。

那么,该如何对待或处理上述预设引起的争论?我们认为,这取决于对“认知”这一概念的理解。如果认定认知只是大脑或神经系统的功能,那么,认知活动及其过程就发生在个体的颅内,包括知觉、记忆、推理、想象和决策等成分或环节;而如果认知指的是认知主体获取和处理来自认知对象(客体)的信息,那么,它就不仅仅限于个体颅内所发生的活动,还应包括参与信息的获取和处理的其他成分和环节。比如,上述的计算器就参与了信息处理的过程,故应属于认知的一个成分。事实上,在传统的认知心理学和认知科学中,关于认知,采用的是上述第一种理解,因而基本上探究的是知觉、记忆、推理和决策等发生在个体心智中的成分或环节。而在哲学的认识论中,由于关注认知主体与认知客体之间的关系,因此,往往采用第二种理解,这样认知就不仅包括发生在个体心智中的活动,还包括环境、工具和实践(行动)等因素。

可以看出,如果仅仅是想弄清认知的能力(如记忆),则可以选择第一种理解;但如果想把握认识世界的过程和内容,则需要采用第二种理解。这里,选择后者是合理的,因为我们的基本目的是理解科学认知的过程,故须考虑实在世界中的认知对象以及其与认知主体之间发生的各个环节(包括这些环节的变化,如新的认知工具的介入)。

那么,上述两种理解是否可以整合或者达到统一?这是可能的,只是需要对认知与心智(或心理)这两个概念作些分疏。其实,我们可以将发生在个体中的认知过程称为心智过程。这样,脑中发生的认知活动也可说成心智活动;但反过来并不成立。根据第二种理解,认知过程是认知主体与认知对象之间形成的信息互动之环,因此,自然地包括作为认知主体的个体内所发生的心智过程;但其并不仅限于此,还可包括构成互动之环的媒介、工具和环境等。这就是说,认知过程的外延要比心智过程来得广。只有当谈到个体的能力时,我们才可以默认认知与心智相等同。这样,两种理解就达到了一定的统一。②

基于这样的解说,可以看出,与限于研究发生于个体的认知过程的传统进路相比,分布认知在两个基本问题上自有主张:一是认知的分析单元的边界并不限于个体的大脑(或身体);二是假定参与认知过程的机制范围延伸至个体之外。③

自从20世纪80年代开始,为了解决在人类学、认知科学和人工智能中遇到的理论问题和实际问题,一些学者开始探究人类认知的分布性质和过程。最早明确使用“分布认知”(distributed cognition)这一概念的是美国人类学家和认知科学家哈钦内斯(Edwin Hutchins)。他在1995年出版了《旷野中的认知》一书,通过实例阐述了分布认知的特点和应用,并论证了认知不局限于心智的内部,而伸展至他人和工具。[1]之后,一些哲学家又提出了“延展心智论题”,认为心智过程可以延展至颅外的工具乃至环境。④[2]而到了21世纪,随着认知科学中以“4E”[即具身的(embodied)、延展的(extended)、嵌入的(embedded)和生成的(enactive)]为标志的研究进路的扩展,人类认知的分布性和情境性得到了进一步的强调。

如今,不论是在科学界还是在哲学界,只要是从对认知的第二种理解出发,那么,关于人类的认知可以具有分布性并没有多少的异议。因此,下面我们将其作为一个事实加以接受。

二、科学认知的分布特征

对于科学中的分布认知,近十几年来,已经有一些科学哲学家和认知科学家作了不少研究。其中,比较有代表性的是美国科学哲学家盖尔(Ronald Giere)。2002年,他发表了《科学认知作为分布认知》一文,主张可以将一般的分布认知的理念应用于科学的认知研究,特别是当科学研究中包含科学仪器和可视化表征的时候,同时认为这一理念能够在科学的认知研究与社会研究之间架起桥梁;[3]次年,他又发表了《科学认知中计算的角色》,文中通过实例分析,提出科学中的分布认知系统可以看作计算与非计算的动态过程的混合。⑤[4]

这里,我们不打算对科学哲学和认知科学中关于科学的分布认知的研究作系统性的综述,而是想阐述科学认知的分布性质、具体类型和分布结构的演变。

在求解日常的简单问题时,个体的认知活动不一定是(也不必是)分布的,但也可以是。⑥这就是说,对于日常认知而言,分布性并非其内在属性;而对于科学认知来说,这种分布性却是内在的。这是因为,与日常的常识认知相比,从近代科学诞生起始,科学认知便具有不同于前者的两个基本特征,即在获取对象信息的时候加入了认知工具(如望远镜),在表征信息的时候使用了人工的符号媒介;而这两个特征均表明科学认知内在的是分布的:信息的记录和处理不仅仅限于个体的心智,还包括观测仪器和作为外在表征的媒介。

如果将前面提到的“4E”与分布认知联系起来考虑,则会发现,对于科学认知而言,其中的“延展的”与“具身的”其实是不相容的。“4E”中的“延展的”大致相当于我们这里的“分布的”,都是说认知不限于个体的心智内部,而“具身的”则是说认知不仅包括大脑而且包括整个身体。可从科学发展的历史看,科学认知的演进却是一个不断“去身”(disembodied)的过程。当然,这种去身性并不是指在科学认知中,不再需要作为认知主体的身体成分,而是说,原本那些具身的认知功能不断地被身体以外的认知工具所承担、替代或放大。这种去身性表现在:(1)获取外在世界中对象的信息不再单纯地依赖于人的感官,而是越来越多地依靠所发明的观测工具;(2)原本由身体的行为所发出的控制对象和环境的信息越来越多地由认知工具来实施;(3)在人的思维活动中,记忆和推理的功能也越来越多地由外在的媒介或工具来承担。这种去身性的实质是扩展或放大人的认知功能,并且其使得科学的客观性和公共性得以增强。通过对科学中的分布认知的类型和结构的考察,这些表现可看得更为清楚。

容易发现,在分布的科学认知系统中,存在着三个子系统,它们可以被看作基本的分布认知类型。一是由认知主体和认知工具作为基本组元的分布子系统。其中,主体与工具之间形成信息流动和处理的网络,并与认知对象及其所处的环境形成信息的环路。在这种类型中,主体感官与观测工具协同承担对来自对象的信息的接收和“粗加工”的功能,而主体的致动部分(如手)和使动的工具协同承担对认知对象可能产生的信息施加选择或约束的功能。二是以多个认知主体为组元的分布子系统,其中每个主体的知觉、思维和行动之间通过信息媒介可以形成多种关系。一种情况是,在具体的科学研究中,除非认知的任务很简单(可由单独的主体完成),否则,就需要由多个主体形成分工、协作的团队,这样就出现了认知在个体之间的分布。另一种情况是,在每个科学研究的领域,一般来说,总是存在着不同的个体、不同的团队在研究相同、相似或相关的问题,他们之间可以通过公开的媒介或私人的通信进行信息的交流和分享。在这两种情况下,个体之间的信息互动既是分布认知的一种基本类型,也体现了科学认知的社会性。三是认知主体(单个或多个)与外在表征组成的分布子系统,其中也有两种基本的情况。一种是以外在表征的实现方式为文本。这里,文本承载的是以往已经取得并累积的科学知识,而这种知识又是进一步展开新的科学研究的背景或前提。在这种情况下,认知过程以文本为媒介,形成了一种时间上的分布。另一种是外在表征的实现方式是主体展开认知过程所依赖的可以记录甚至处理信息的媒介,包括纸、黑板、算盘和计算机等。从总体上说,在科学认知中,这三类子系统之间相互联系,形成了一个统一的整体。不过,落实到具体的科学认知,不同领域、不同问题中,这三个子系统所担当的角色并不相同。例如,在真实的科学实验中,主体的致动部分(如手)和使动的工具协同承担对认知对象可能产生的信息施加选择或约束是必要的,而在数学这样的形式科学的研究过程中,就没有这个必要条件,所需要的是可以实现外在表征的笔、纸等工具和媒介;还有,在大的科学项目中,具有不同专业背景和技能的数量较多的人员之间的分工协作就更为重要。

自近代科学诞生以后,人类科学地认识实在世界的历史,从一个侧面看,正是科学认知的分布性不断展现和分布结构不断复杂化的过程。当伽利略将自制的望远镜指向月球时,当他发明水钟用于时间的测量时,当他设计凹槽以约束小球下落运动的轨迹时,这种认知的分布性便开始系统地展现。不过,在伽利略所处的时代,科学认知的分布结构还十分原始和简单:在具体的科学研究中,认知主体通常还只是单独的个体,认知工具的发明基本上是个人(或加上少数助手)的劳作,能够交流和分享知识的同行还非常稀少,以文本方式表征的科学背景知识十分有限。正是依仗伽利略、开普勒和牛顿等第一代近代科学家的智慧和创造,科学认知的分布结构才得以形成,并在此基础上实现了四百余年的辉煌。

如今,科学认知的分布结构已经变得异常复杂和多样。科学已成为全人类的共同事业。与人类的其他文化不同,科学的研究者已经遍布世界的每个地区,科学的知识传到了地球上的每个角落,而科学的目标是共同的,科学的语言是普适的,科学的成果是分享的。因此,可以说,科学认知是人类已经建构的第一个具有共同目标和规范的分布网络。

从构成分布的科学认知的三个子系统来看,每一个也都经历了从简单到复杂的演进过程。在当代,它们的复杂度均已经很高。其一,认知对象的范围在深广两个维度上的不断拓展,要求发明和运用能望得更远、看得更细的观测工具,要求发明和运用能将对象置于极端状态和环境的设备,结果,不仅操控和获取来自对象及其环境的信息的环节变得愈加复杂,而且处理信息的功能也更多地由认知主体和认知工具之间的协同来承担。在当代的科学实验和大型科学观测中,这实际上已经是一种体现科学的分布认知的常态。其二,研究对象的复杂或极端,研究工具的大量介入和研究问题的难度增加,在团队内部,要求更多具有不同知识背景、不同专业技能的研究者的分工和合作。在团队之间,也要求科学知识和信息的更广和更及时的交流、分享。例如,参与人类基因组计划这一大科学项目的就有来自6个国家的上千名科学家;2001年发表在《自然》上的初步成果论文,直接署名的人数达到250人。[5]结果,如何在一个团队内部认知主体之间有效地实现认知能力的分配和信息的互动,已经成为当代科学学研究的一个很重要的课题。其三,认知主体与外在表征之间的互动变得比以往任何时候在内容上更加丰富,在形式上更加多样。当今,一个越来越明显的趋势是,不论是在实验室还是其他进行科学研究的地方,传统上作为记录和表征数据或知识的主要载体——纸质笔记本正在减少甚至消失,取而代之的是内置数据分析和实验室管理等软件的笔记本电脑或平板电脑。这些软件不仅可以记录和处理数据,而且具有在线访问外部数据库等功能,于是,研究者与外在表征之间可以形成实时的互动。当然,这些变化都是源自计算机和互联网的问世。正是这两大发明,极大地改变了科学知识传播和分享的方式,并给科学的分布认知的实现带来了新的媒介。特别是,由互联网引发的科学认知方式和分布结构的改变具有革命性的意义,值得做更多的阐述和分析。

三、基于互联网的科学认知

如果问一问:进入21世纪以来,什么是影响人类的最大发明?答案应该是肯定的:移动互联网,外加智能手机等终端设备。确实,由于这些发明,人们的学习、工作和生活的方方面面都发生了巨大的、不可逆转的改变。这里,我们就来看看以互联网为代表的新技术和新工具对于科学的分布认知所带来的变化。

为了说明互联网与科学的分布认知之间关联的自然性和紧密性,这里,简要地介绍一下互联网的产生和发展过程。起初,计算机之间的联网是美国国防部所研究和实施的,而目前广泛使用的万维网(World Wide Web),恰恰是物理学家为了科学研究中信息交流的需要和便利而发明的。1989年,在欧洲粒子研究中心工作的英国物理学家和计算机科学家伯纳斯-李(Tim Berners-Lee)发明了一种网上交换文本的方式,即万维网。它是一种分布式多媒体超文本工具,通过超文本传输协议(HTTP),可以把任何地方联于互联网上的计算机的信息有机地连接起来。很快,这个平台在整个互联网上风靡。1993年出现的浏览器,是一种安装在客户计算机上的用以访问万维网服务器的工具软件。使用浏览器在网上漫游,可以检索和查询各种信息,可以下载、保存、打印各种文档,可以建立主页和收发邮件,等等。万维网和浏览器的出现使人们能够很容易地在网上发布和获取信息,极大地加速了互联网的发展。从此,在人类社会里,人们之间传播、分享和交流信息的方式开始进入了一个崭新的时代。由此可见,在一定意义上,互联网的突破性发展,正是由科学的分布认知的实施和拓展的需要所直接推动的。

以下就来考察和分析互联网是如何推动科学的分布认知改变的。在此,我们聚焦于两个基本问题:(1)互联网对于科学的分布认知带来了什么新方式?(2)互联网对于科学认知的分布结构有何实质性或激进的改变?

先来回答第一个问题。十余年来,基于互联网形成了两种分布的科学认知的新方式。一是在互联网上出现了“在线公众科学运动”(online citizen-science movement),倡导科学家共同探索和求解一些科学问题。方法是通过建立网站,发布需要研究的项目或需要求解的具体问题,以吸引对项目或问题有兴趣的研究者群策群力,一起来完成项目或寻找答案。这是基于互联网出现的新型的科学研究方式,其中的科学认知显然是分布的。目前,这种方式既被用于天文观测、动植物分类等需要进行大规模数据采集和处理的项目,也被用于求解困难的数学问题。例如,2009年初,著名的英国数学家高尔斯(Timothy Gowers)在自己的博客上发布了一个深奥的数学猜想,希望能整合读者们的智慧和专长,共同解决该问题。大约两个月中,他收到了近千条评论和建议,结果猜想被成功证明,于是,发表的论文署名是代表这一集体的笔名。[6]二是一个从事具体的实验或理论研究的团队,其成员并不一定处于现实的实验室或特定的地理位置,而是可以分布于其他地区甚至国家的大学或研究机构。这些位于不同物理空间的成员,能够以互联网作为平台,参与包括信息的收集和问题的求解等认知任务。这种方式,对于那些想在读大学期间就参与顶尖大学的实验室或机构的研究的大学生来说,特别具有吸引力,因而,也将是造就未来一代科学家的重要途径。

第二个问题是要回答互联网对于科学认知的分布结构改变的。这主要体现在科学知识的传播和分享方式的变化中。在没有互联网的时代,科学家主要是通过学术期刊、学术会议和个人通信等方式来获取和交流信息,而一个科学发现和理论创造的居先权也是通过在期刊或会议上公开发表才得以确立的。然而,自从互联网问世以来,科学论文发表和传播的方式已实质性地发生了变化。这种变化首先出现在理论物理领域,之后扩展到其他理论科学领域;近年来,又进一步扩展至生物学和医学领域。而标志性的事件就是预印本文库(https://arxiv.org)的诞生。

1991年,当时在美国洛斯阿拉莫斯国家实验室工作的物理学家金斯巴克(Paul Ginsparg)创立了预印本文库(网站)。起初主要收载关于弦论和场论方面的理论文章,不久就扩展到物理学的其他分支,如今则已经包括物理学、数学、计算机科学、定量生物学、定量金融学、统计学、电子工程、系统科学和经济学等。截至2019年5月底,可以访问的论文达到了155万篇,且每天都在增加。⑦

预印本文库的特点是论文无需同行的评审,只要通过规范性的认证,即可上传发表。这一特点对于科学的分布认知和推动科学发展具有巨大的影响。其一,对于作者来说,不仅可以根据读者的反馈对论文进行修改或撤回,而且一旦论文获得同行们的认可,其在科学发现或理论发明上的居先权便得以确立,这样,也就基本解决了以往科学界长期存在的种种居先权之争。可以设想,如果牛顿和莱布尼茨所处的时代有了这一文库,那么,关于微积分的发明权之争也就不会出现了。其二,对于读者而言,可以及时地了解与自己相同或相关领域的研究进展,以避免做重复性的工作。⑧在科学史上,康德率先提出太阳系起源的星云说,差不多半个世纪以后,拉普拉斯又独立地提出这一假设,结果,这一学说被称为康德-拉普拉斯星云说。而如今,这种情况将不复存在。当然,读者如果也是该论文的问题的研究者,就有可能因为慢了一拍而失去居先权,但更多的情况是,可以基于他人已发表的论文推进自己的研究,去获得“更上一层楼”的成果。这样,预印本文库就导致研究者之间竞争的加剧。其三,从对科学发展的推动作用来看,预印本文库的出现使得科学研究的过程加速。以往,在科学研究中,个体或团队可以就某类或某个问题进行长时间的独立研究,或者形象一点说,进行单独的长跑;而该文库的出现,则能将全世界从事相同或类似研究的人或团队连接起来,大家进行接力赛跑。尽管求解问题的路程仍是马拉松的距离,但采用接力而非单独的长跑,解决问题的时间将大大缩短。其四,预印本文库也给当代科学认知带来了新的问题。由于论文是在没有进行同行评审的情况下发表的,因而其包含错误甚至造假的可能性就会增加。特别是,如果读者没有足够的鉴别能力,那么,以讹传讹的风险也就上升;而那些根据不正确论文所写的新闻报道还会误导公众。为了解决这些新问题,一方面需要作者具有诚实的科学态度和自律精神;另一方面,也是更重要的,是要求读者具有更高的评判和鉴别能力。不过,从历史和现实的情况看,只要健全的科学共同体存在并发挥作用,科学认知就有自我纠错的功能。事实上,预印本文库也没有取代传统的学术期刊,而且通过优势互补,二者共同推进着科学的繁荣和发展。

四、结束语

从上述对于科学的认知分布进行的阐述和分析中,我们可以明白:作为人类认识实在世界的共同事业,科学认知不仅内在的是分布的,而且其结构是复杂的,且这种复杂性随着科学的发展而持续地增加。

历史地看,随着科学的发展,所认知的实在世界的疆域变得越来越深广,对象变得越来越极端、多样和复杂。这就要求探测工具和技术的不断发明,于是便有了射电望远镜、电子显微镜、冷冻电镜、光镊和光遗传学技术等等;这就要求新的科学理论或模型的创造,于是便有了电磁场理论、进化论、相对论、量子论和DNA双螺旋结构模型等等;这就要求科学认知的方式得以拓展,于是便有了模拟实验、计算建模和机器学习等等;这就要求科学的研究者之间不断加强交流、协作和互动,于是便有了数千人组成的大科学团队和基于互联网的预印本文库等等。正是在认知对象、认知工具、背景知识和认知主体之间持续的互动过程中,科学认知的分布性日益显现,其复杂度也越来越高,结果,科学实现了成功的演进和持续的繁荣。


注释:

①分布认知的另一种含义是:个体的心智(或神经系统)也是分布的,即是由不同的子系统或模块协同展开认知过程。在此,我们不讨论这种情况。

②鉴于此,在以下的讨论中,我们就不再对两者作刻意的区分。

③这两点由分布认知的最早倡导者和研究者哈钦内斯提出,见http://comphacker.org/pdfs/631/DistributedCognition.pdf。

④由于没有在认知的与心智的之间作出恰当的区分,结果,该文发表后,在哲学界和认知科学界引起了激烈的争论。

⑤在盖尔那里,计算是符号表征和操作,真实的物理系统是非计算的动态结构和过程。

⑥这里,我们忽略了对于文化等因素的考虑(将文化等因素计入是一种更广义的分布认知观),而将认知的分布性仅限于借助认知工具和外在表征。

⑦2001年,金斯巴克离开洛斯阿拉莫斯,到康奈尔大学工作,该网站也随迁到康奈尔大学。目前由该校资助和管理。

⑧这里的“重复性”主要是针对理论研究的创造性而言。如果是实验或观测,则对已经发表的成果进行重复性的检验是科学研究的必要的也是很有价值的环节。



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本文责编:陈冬冬
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文章来源:本文转自《洛阳师范学院学报》2021年04期,转载请注明原始出处,并遵守该处的版权规定。

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