黑箱方法

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黑箱方法(Black Box Method)

目錄

什麼是黑箱方法[1]

  黑箱方法是把研究對象作為黑箱,通過考察對象的輸入、輸出及其動態過程,而不是考察其內部結構,來認識研究對象的功能特性、行為方式,以及探索其內部結構和機理的一種科學方法。

  例如,通過輸入圖像、聲音、信號等,觀測、分析腦電波的輸出反應,研究人腦對視覺或聽覺信息的傳遞、變換、處理功能,就是一種黑箱方法的運用,又如,醫生看病特別是中醫看病,通過外部觀察,或者進行一些生理、生化試驗,而後對病情分析研究,作出初步診斷,給出處方,尤其是對疑難病癥,完全可以在初診基礎上,先投以試驗藥物,然後觀察病人服藥後的反應,從而分析病理作出確診。這也是黑箱方法的具體應用。

黑箱方法的內涵[2]

  現實中有許多研究對象,我們對它的內部結構既不瞭解又無法直接探知,它對於我們來說仿佛是一個既不透明又打不開的黑箱子,“黑箱方法’’就是研究這類對象的一種方法。黑箱方法以往在一些領域里也常有運用。例如我國傳統醫學就是把人體視同“黑箱”,著重考察的是人體與外界的交流,診病運用的是“望、聞、問、切”,並不要求瞭解人體的內部結構;我們要研究人腦的活動,也不可能把腦子打開來考察,打開了的腦子就不可能活動了,因此腦子就是“黑箱”,只能用黑箱方法來研究;要研究地殼的內部結構,我們最多只能鑽一些深度有限的探井來探測,無法整個打開來考察;兩軍對壘時,敵人的軍力部署、作戰計劃等也不可能全部暴露無遺,這些都是“黑箱”,都只能運用黑箱方法來處理。

  黑箱方法的運用雖然由來已久,但把黑箱作為一個科學概念來認識則是在控制論誕生之後。黑箱概念是英國生物學學家艾什比(1903~1972)提出來的。黑箱方法簡單地說就是通過對系統的外部行為的分析來探求其內部結構的方法。或者說是從系統的輸入和輸出狀況來獲取系統內部信息的方法。黑箱方法不涉及系統內部結構及其相互作用的細節,而是從系統總體行為上去描述和把握系統,預測系統的行為,這對於研究複雜系統如生物系統、社會系統、經濟系統等特別有效。比如一個社會系統總是由許多人組成,他們在血緣、經濟、政治、文化等各個方面又有著千絲萬縷的難以辨明的關係,如果運用傳統的分析方法,即通過瞭解每一種聯繫從而認識總體,不僅工作量極大,甚至是不可能做到的。採用黑箱方法則只需要觀察、研究有限的輸入和輸出變數,就有可能對它作定量的研究了。

  黑箱方法的最理想的結果是把“黑箱”打開,使我們能夠直接瞭解並把握系統的內部結構及其聯繫,這種打開了的“箱子”,即我們能夠直接觀察其內部結構的系統,在控制論中稱為“白箱"。“白箱方法”也是控制論的一種方法,這就是在認識了系統的結構之後,把其中的結構關係按一定的關係式表達出來,使我們能完全控制和預測這個系統此後的行為。不過絕對的“白箱”並不多見,大多時候它只不過是相對地“白”罷了。

黑箱方法的特點[3]

  首先它不需要打開黑箱,僅以輸入輸出方式,對系統進行整體上的探討,而不象傳統方法那樣,把系統進行分解再去認識,這樣就保持了黑箱固有的結構特點。

  其次,黑箱方法把系統看成是處在環境中,與環境相互影響、互通信息的系統。通過系統與環境的相互作用來認識系統,這有利於人們從整體的角度,從綜合全局的角度來觀察問題。

  另外,黑箱方法簡單易行,它無須對系統複雜結構的認識,只從輸入輸出方法去考察系統的功能機理。

黑箱方法的步驟[3]

  黑箱方法的運用,有以下幾個基本步驟。

  1.確認黑箱

  由於黑箱與外部環境是相互聯繫。相互作用的,因而有必要劃定系統與環境的邊界,選定系統與環境的主要聯繫通道。

  2.規定輸入和輸出

  因為現實系統可能會有無窮多種輸入,同樣,它也可能有無窮多種輸出。但是要進行系統觀察,就必須決定所用的輸入與所要觀測的輸出是什麼。這一步驟反映了人在認識過程中的能動性和目的性。

  3.記錄考察結果

  採用一個登記表,記下被考察系統的輸入和輸出狀態及發生這些狀態的時刻。

時間(t)輸入x(t)輸出y(t)
 
  4.比較分析

  由輸入與輸出的比較分析,推測事物內部狀態、內部結構或內部過程,找出標準表達式,推導聯繫。

  5.檢驗

  根據所推導的聯繫和表達式,造成新的輸入並預期輸出的結果。由輸出結果檢驗、判定對黑箱分析認識的真理性。

黑箱方法的作用[3]

  1.黑箱方法為認知和研究複雜系統開闢了新的途徑。

  2.黑箱方法對探索微觀世界的奧秘具有重要的作用。

  3.黑箱方法在研究有生命活動系統方面具有獨特的作用。

黑箱方法的局限性[1]

  黑箱方法也有其局限性。由於它只研究系統的功能特性和行為方式,而不研究內部結構,因而不可能深剡理解其功能特性和行為方式的基礎與本質。同時,黑箱方法只從系統功能特性推測其內部結構時也可能出現錯誤。由於黑箱方法具有這些局限性,所以在運用黑箱方法時,需要有其它科學方法的相互配合;以便取長補短,發揮黑箱識別方法的更大作用。

參考文獻

  1. 1.0 1.1 陳紫明編著.科學邏輯學.福建科學技術出版社,1991.05
  2. 朱玉泉主編.百年科技經典:跨世紀領導科教興國知識必備 第2捲.中國經濟出版社,1998
  3. 3.0 3.1 3.2 趙樹智,張富國,何發成編.系統科學概論.吉林大學出版社,1990.01
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