基于復雜性理論的中學地理實驗教學特點分析

南京師范大學教師教育學院（210046） 趙 璇 南京師范大學地理科學學院（210046） 趙 媛

基于復雜性理論的中學地理實驗教學特點分析

南京師范大學教師教育學院（210046） 趙 璇 南京師范大學地理科學學院（210046） 趙 媛

新課改提倡學生自主學習和探究性學習，注重學生學習的過程性評價，重視地理技能的培養，[1]這使得地理實驗教學這項教學方法應運而生。在地理課程中融入地理實驗適應了新課改的要求，全面體現了新課程的理念。目前，不少教師已開始嘗試結合前人與自身的經驗設計地理實驗，但至今還沒有對中學地理實驗教學復雜性的理論探討。而復雜性的探討是應當先于教學指南、實踐而存在的，利用復雜性理論指導中學地理實驗教學，對于提高中學地理實驗教學的有效性具有重要意義。

一、地理實驗教學的復雜性分析

復雜性意味著交織在一起的東西。即當不同的要素不可分離地構成一個整體時，當在認識對象與它的背景之間、各部分與整體之間、整體與各部分之間、各部分彼此之間存在相互依存、相互作用、相互反饋作用的組織時，就存在復雜性。[2]

地理實驗教學是指實驗者使用相關設備或材料，結合相關地理科學理論，制成地理模型，模擬地理事物和地理現象的發生、發展過程，通過操作和觀察，認識或驗證地理現象的特征、規律及原理；或在地理課堂之外，教師與學生借助實驗儀器進行試驗、采用調查或發放問卷開展問卷調查及訪談，以獲得或驗證某些地理知識的教學方法。

地理實驗教學是由許多異質的智能體組成的開放系統。隨著時間的推移，這些智能體在相互之間以及和環境之間以一種非線形的方式發生作用。由于主體與環境以及其他主體之間的相互作用，不斷改變著它們自身，同時也改變著環境。人們總是在憑借經驗解釋其內在因素及相關關系，而無法運用標準化的分析方法來分析解釋這一教學過程。所以，可以將地理實驗教學系統看作復雜適應系統。

地理實驗教學作為一個復雜適應系統，其因素本身具有復雜性，因素與因素之間的關系也具有復雜性。地理實驗教學系統的主要因素包括課程的主導——教師，以及課程的主體——學生，因素主體的自身素質、觀念、興趣的不同是導致系統復雜性的根本。

1. 組成因素的復雜性

（1）課程主導者的復雜性

第一，主導者（教師）的素質良莠不齊。從人才流動的角度來看，我國農村中小學教師隊伍整體素質普遍低于城市中學地理教師已然是一個不爭的事實，這使得農村具備開展實驗教學意愿和能力的教師可能較少。而即使在城市的中學，其師資也有不同程度的差異。更進一步說，即便是在同一所學校，教師之間的水平也有相對落差，教學風格迥異。

第二，教師的教學觀念有偏向。一部分教師可能比較傾向于傳統的教學方式，認為以講授為主，輔以學生互動的教學方法便能夠滿足學生的需要，達到良好的教學成果；而另一部分教師可能更加贊同創新的教學方式，他們打破傳統的教學模式，提倡小組合作學習、提倡探究性學習、提倡實驗教學。

第三，教師的興趣愛好。教師的興趣愛好不同也可能導致教師對實驗教學的重視程度不同。不同時期，教師接收到的外界信息、理論引導、自身感悟不同，其對課程的控制、教學內容的選擇、教學方法的設計、教學態度的把握也將不同。例如，在新課改推行之前，教師的知識構架中便缺乏地理實驗教學的模塊，認為實驗是化學、生物、物理的專利，而新課改理念提出后，教師的理念也隨之發生了改變，意識到實驗教學的重要性和有利之處，開始積極探索研究，將理論付諸實踐，把實驗教學運用到地理課程中。

（2）課程主體者的復雜性

第一，課程主體（學生）的素質相差較大。首先，農村中學與城鎮中學學生素質的差距：由于學校師資水平和硬件水平的差距很大，導致學生的素質相差很大；其次，在同一群體中，學生由于自身先天條件的不同，在領悟能力、表達能力、邏輯能力等方面也有差距，使得同一學生群體中學生的素質也有差別。

第二，學生對待實驗教學的觀念不同。地理實驗教學是一種新興的教學方法，學生對這種教學方法持有的觀念不一致：部分學生能夠意識到地理教師開展實驗教學的深意或者自身對地理實驗很感興趣，那么他對學習全過程的投入程度也較高；另一部分適應傳統教學的學生由于長期受傳統教學模式的影響，認為只有教師強調多遍或規定其記憶的部分才是學科的重要內容，而忽視教師精心安排的實驗，將其視為可有可無的課堂插曲，完成任務即可，這種觀念將直接降低實驗教學的效果。

第三，學生的興趣愛好不同。中學生的思維是開放的，他們的興趣愛好亦相當廣泛，他們熱愛新鮮的事物，摒棄陳舊的理念；熱愛生動的事物，摒棄沉寂的模式。同時，中學生又是發展中的人，他們的興趣愛好又是在不斷發展變化的。其興趣愛好存在一定共同之處，但每個中學生又存在自己的獨特之處。他們有著各自所特有的性格特質，在后天影響下，有的偏愛動手實踐、有的喜歡安靜思索，有的選擇獨自完成、有的則愿意合作完成。

2. 因素之間相互關系的復雜性

（1）因素之間的相互關系

第一層面，教師的素質與學生的特性相互作用，進而相互適應。例如：教師的素質會直接影響實驗教學效果，從而影響到學生知識的習得、能力的培養等方面；而學生的素質也會反作用于教師，學生素質低，教師的實驗教學內容受限，能力不能得到提升。教師的觀念會影響學生的觀念，教師重視實驗教學，學生也將重視從實驗中獲取知識、鍛煉能力；學生推崇實驗也會促進地理教師實驗教學的開展。[3]另外，教師教的興趣與學生學的興趣也是同一活動過程中的兩個方面，二者相互影響,彼此相依。

第二層面，主體（學生）與主體（學生）之間的關系。在地理實驗教學系統中，學生與學生之間的關系可以用競爭與合作來概括。首先，在地理實驗教學系統中，學生與學生之間呈現出合作的關系。學生設計實驗、構建模型或采集數據等，無論是哪個環節，都是需要集眾人之長完成的。合作過程中，擁有各種不同知識背景的個體聚集在一起，相互影響，將不同的知識背景相互融合，碰撞出知識的火花。此過程中，學生與學生之間沒有素質高低之分，沒有觀念異同之分，僅有個體對團隊的貢獻大小之分。其次，地理實驗教學中學生與學生之間存在競爭的關系，實驗教學會以組別對比的方法作為支撐，鼓勵學生以小組為單位組成相應團隊相互競爭。與此同時，不知不覺中，學生個體會將集體榮譽感前移至個人興趣愛好之前。暫時忘卻自己的觀念、愛好，如此便提高了學生積極性，讓其努力為自己所在的團隊而出謀劃策。于是，地理實驗教學過程中便呈現一種合作中有競爭，競爭中有合作的復雜關系。

（2）因素與外界環境之間的相互關系

首先，外界環境與教師的相互作用體現在：教師的生長環境、學習環境、工作環境將直接影響教師實驗教學使用的素材和教學水平，教師的實驗教學過程也將反饋于外界環境。

若外界環境存在實驗教學所能夠利用的素材A（該素材可能為某些特殊的地形、地貌，也可為某些小塊的巖石、土壤、典型小氣候等，也可為相關多媒體影音），而且教師平時注意觀察，收集到了這一素材，那么這一素材才會被加入教師實驗教學的素材庫中。在這一過程中，外界環境素材A給予教師個體刺激，使得教師的記憶中存在素材A，教師才能夠在日后的實驗教學中得以提取出對素材A的記憶。教師個體對素材A做出反應，將素材A與自己的教學系統聯系在一起，并對A加以利用，對外界環境形成反饋。如果外界環境不存在該素材或教師未能及時的對該素材做出反應都會導致實驗教學系統中素材的缺失。（圖1）

圖1 地理實驗教學系統中教師與外界環境的相互關系

同時，外界環境通過影響教師的知識結構而影響教師的地理實驗教學水平。地理實驗教學對教師的地理學科專業知識和教育學基礎知識的要求都相當高，如果外界環境未曾提供給教師以足夠的相關專業知識和教育學基礎，或者教師未曾很好的吸收外界環境中的相關知識，這將直接局限地理教師的實驗教學水平。教師不能夠合理安排或指導學生設計實驗、或者即使勉強設計了也不能夠達到應有效果。

外界環境與學生的相互關系則體現在：外界環境影響學生的素質。由于從小接觸的事物、接受的教育及其所處的地域文化背景存在的差異，學生之間的知識儲量與能力類型顯示出明顯差異。例如：農村學生從小與未受人類改造的自然界接觸較多，其對自然界所發生事物的規律耳濡目染，在自然地理類實驗的素材選擇、實驗設計和實驗操作中就顯示出較高的積極性和創造性，如水土流失實驗的創作中就能看出農村兒童的設計速度與效率明顯優于城市學生；城市學生每日生活于鋼筋混凝土建筑之中，偶爾與人工綠化帶接觸，其對未經改造的自然接觸甚少，所以在部分自然地理類實驗中，他們的要稍遜與農村學生，但他們在人文調查方面的優勢卻是顯而易見的。他們在制作電子表格（用于數據統計）、與外界交流了解情況、分析處理數據等方面優于農村學生。

二、地理實驗教學系統的復雜性特征

1. 非線性

地理實驗教學系統中各因素的相互關系呈現出非線性的特征。地理實驗教學系統中的因素具有復雜性特征，因素之間的相互關系具有復雜性特征，實驗教學效果既與教師的自身素質、觀念思想、興趣愛好等相關，又與學生的素質、觀念、興趣相關，并且與教師與學生之間的相互關系、學生與學生之間的相互關系、教師與外界環境的作用、學生與外界環境的作用密切相關。由此可推知：地理實驗教學系統中的教學的效果與各因素之間的關系都不是簡單的、線性的，而是復雜的、非線性的，它們相互作用、相互影響（圖2）。

圖2 地理實驗教學系統

地理實驗教學系統的非線性特征具體為：實驗教學成效與教師的教學狀態、學生的學習狀態、外界環境的控制狀態均呈非線性關系。教學成效與教師的工作態度、課程理念、教學能力和教學水平，學生的知識構架、學習能力、學習態度，外界環境的理念引導、控制監督這些因素中的任意一個都不是線性相關的。這些因素相互聯系、相互影響，共同作用于實驗教學成效。

2. 不確定性

地理實驗教學系統是一個復雜的系統，因素繁多且相互關系復雜。因素所具備的特性并非一成不變，而是隨其他因素的變化而變化的，因素之間的關系也不是確定的。

第一，相對于物理、化學、生物實驗，地理實驗教學的教學內容、教學方法都是不確定的。地理實驗教學的理念是隨新課改的提出而漸漸形成、完善，在此之前，研究者、教師、學生對地理實驗教學的關注度很低。所以地理實驗教學并不像哪些傳統學科的實驗教學一樣擁有自己的實驗教學體系和的實驗用書，其教學內容和方法都正在探索、研究中。同時，地理學科的性質決定了地理實驗教學的不確定性。高中地理學科的內容包括：自然地理、人文地理、區域地理。其知識內容涵蓋廣、跳躍大，實驗設計也必須與當地實地情況相結合，這使得地理實驗教學內容的確定具有難度。

第二，實驗教學過程的不確定性。實驗教學中使用的地理實驗有絕大部分均為模擬實驗，通過實驗模擬地理事物和地理現象的發生、發展過程來認識或驗證地理現象的特征、規律等。模擬過程中簡易操作裝置很難控制實驗中的諸多因素，例如為了驗證地轉偏向力的存在，設計了以下實驗[4]：

①選擇無風的日子，將三根木頭搭成一個高約2．5m的支架，再將硬卡紙做成一個圓錐體。椎體上部系三根長約2m的細繩，三根細繩須均勻系在紙上，保證圓錐體尖端垂直向下，最后將繩子系在三角支架上（圖3）；

②在沙漏中裝入細沙，用剪刀在圓錐體尖端剪出一個小孔，推動沙漏做鐘擺運動。

該實驗通過觀察沙的扁長的橢圓形運動軌跡可發現沙漏并不是來回做直線運動，從理論來看的確能夠驗證地轉偏向力的存在。但只有排除了外界的諸多阻力的情況下才能形成完美的實驗結果——扁長的橢圓形運動軌跡。而在現實中存在許多不確定的因素：空氣阻力、重力（隨沙量的減少而減小）、繩子的拉力、以及椎體系在木頭上的部分與木頭的摩擦力，很難完全排除這些阻力的影響，無疑會影響椎體的運動軌跡。

圖3 驗證地轉偏向力的存在

第三，實驗教學效果的不確定性。在教學過程中,學生的智力活動會因為學習情景的變化而產生變化，學生的情感、態度、價值觀也會隨之發生多種變化。[5]生活在特定環境中的主體不斷從環境接受刺激，并根據經驗作出反應。反應的結果可能是成功的——達到預期目標，也可能失敗——未達到預期目標。[6]所以實驗教學的效果與諸多因素有關，一個環節發生問題都有可能對實驗教學的效果產生重大影響：教師理念的更新與否、學生興趣、學校政策的導向都會一定程度影響地理實驗教學系統。

3. 開放性

地理實驗教學是開放的系統。雖然我們認為地對實驗教學的地點和時間進行了限制，但其系統中因素的開放性和因素間關系的開放性卻是不能限制的。在實驗教學過程中遵循師生平等的原則，給予學生開放的學習氛圍，師生相互學習，共同進步。學生的思維是開放的，其背景知識積累對其思維方式與內容產生影響，每位學生都擁有自己的獨特想法。教師在教學前會提前進行教學預設，而學生與教師的思維方式和知識結構存在差別，他們思維活躍，在互動過程中可能會生成許多預設之外的成果。在教師的引導下，學生可能隨時會生成一些對實驗教學的改進有利的新想法。在實驗執行過程中，學生也能夠提出許多與實驗相關的疑問，這將成為教師彌補實驗教學中的不足和提升自我的資源。同時，學生在此過程中也得以互相合作設計、討論方法、交流思想，充實自己的知識庫，學習他人所長。

4. 自主性

在地理實驗教學系統中，學生個體有其自身的目標、取向，能夠在與環境的交流和互動作用中，有目的、有方向地改變自己的行為方式和結構，達到適應環境的合理狀態。[6]教師作為引導者，賦予學生學習情境，構建模型或給學生搭建實驗設計和思維的平臺。無論是教師演示實驗還是學生操作實驗，在實驗過程中，教師都不給予過多的解釋，給學生預留開闊的思維空間。學生帶著教師的問題，設定目標，組成小組，開展交流互動，歸納實驗產生的現象、討論實驗反應的機理、總結實驗中蘊含的規律、發表小組建議，全過程均在教師的引導下，學生自主完成。實驗過程中，學生與學生之間、學生與教師之間亦互為外部環境，相互影響，其不同的知識、能力背景相互摩擦、碰撞，最終對教師、學生個體自身的行為方式、能力與知識結構產生影響，達到適合環境的狀態，即將實驗中獲得的知識融入自身知識庫中，當然，每個人攝取的知識與其自身條件也有著密切聯系。

三、地理實驗教學系統的復雜性對有效教學的啟示

1. 更新理念，反復實踐

地理實驗教學具有不確定性，這要求教師充分考慮到影響實驗成效的各種因素并合理地進行處理。首先，應當全面檢測實驗教學過程中的種種不可避免的影響因素，不僅在腦海中形成種種假設，還要不斷、反復地進行實踐，付諸實施。要知道實驗不是想出來的，而是做出來的。教師不能夠僅僅靠思維來設計實驗，而要在演示或讓學生自己操作之前自己親力親為，動手操作，并將不確定因素考慮在內，不斷控制不確定因素，直到實驗結果達到最佳。其次，教師應當不斷更新自己的思想理念。隨著新課改推進的腳步，每位教師都在根據自身情況努力嘗試，我們的周邊充斥著全新的理念。這些理念繁多而雜亂，有些甚至很難被眾人接受。教師應當辯證地去看待這些理念，取其適合自身發展的部分糅合到自己的思維與實踐中。同時，教師應以身作則，以全新的理念感染學生，讓學生學會用新的理念、新的方法去指導自己的學習，理解教師的設計用途，努力培養自身綜合素質。

2. 提高素質，關注學生

地理實驗教學具有開放性。這在無形中提高了對教師綜合素質的要求。地理實驗教學系統中，教學方式是開放的、教學內容是開放的、學生的思維是開放的、學生之間的合作討論和思維交互更是開放的，這就要求教師除了掌握教學所需的學科知識、教育學知識、教學論知識，同時還必須掌握相關實驗設計的知識，具備實驗操作能力以及探索、研究的精神，能夠積極地應對開放環境中生成的各種問題。所以，教師在課余時間內必須開拓自己的視野，積極攝取來自各種渠道的知識，彌補自身不足；關注身邊的地理事物和地理現象，從生活中的細節發現地理知識，為實驗教學積累素材；有意識地發掘自身創造能力。只有教師首先具有創造意識，才能在潛移默化中感染學生，激發其創造性思維。

教師創造的開放性氛圍也將進一步拓展學生的思維，使得學生在實驗教學過程中生成許多超出教師預設的信息。教師有必要細心記錄這些課堂生成的信息，對其進行整合，并將這些精華部分視為實驗教學系統的一種推進力量。

3. 學生主體，教師主導

地理實驗教學的自主性要求地理教師在實驗教學過程中樹立教師為主導，學生為主體的思想。教師是學生學習的引導者、輔助者。在教學過程中，教師在實驗的目標方面引導學生，告知學生本次實驗的目的；在實驗的實施方面輔助學生，在學生已有思考的基礎上幫助其改善，給予沒有思路的學生以啟發；在實驗的總結方面指導學生，告知學生應從哪幾方面總結，但并不是代替學生總結，而是將實驗總結的自主權交付學生。

目前的地理實驗教學依然停留在教師演示、學生觀察的階段，學生自主參與操作的實驗并不多見，這樣的實驗教學是不能達到其預設效果的。教師不能單純地為設計實驗而設計實驗，而應結合整節課的目標和內容進行考慮。教師在進行課程設計之前，統籌考慮本節課學生在知識、技能、情感價值觀三維目標方面預計能得到怎樣的提升，課堂想達到怎樣的成效。假設學生在場，考慮到學生思維能力、可能的反應等等，對實驗過程中的問題設計和作答時間預留都準確把握。切忌在實驗教學的過程中，獨自完成實驗操作，留給學生的只有表面印象，沒有深入體會。一次沒有學生思維參與的地理實驗教學是不成功的地理實驗教學，學生才是實驗教學的主體，教師一定要把握好引導的“度”和“量”。

[1] 普通高中地理課程標準[M]. 人民教育出版社, 2004年: 17

[2] (法) 埃德加?莫蘭著, 陳一壯譯. 復雜性理論與教育問題[M]. 北京: 北京大學出版社, 2004: 27

[3] 閭閥美.簡析美國地理教材中“活動”的特點[J].中學地理教學參考. 2007(5): 60

[4] 相煒, 彭洪蘭. 巧用小實驗——地理新課程教學的亮點[J]. 中學地理教學參考. 2006(3): 23

[5] 王肇和.中學地理教學過程的復雜性探討[J].蘇州科技學院學報(自然科學版). 第25卷第1期. 2008(3): 63

[6] 北京大學現代科學與哲學研究中心. 復雜性新探[M]. 人民出版社. 2007: 148-149