基于复杂性理论的中学地理实验教学特点分析

南京师范大学教师教育学院（210046） 赵 璇 南京师范大学地理科学学院（210046） 赵 媛

基于复杂性理论的中学地理实验教学特点分析

南京师范大学教师教育学院（210046） 赵 璇 南京师范大学地理科学学院（210046） 赵 媛

新课改提倡学生自主学习和探究性学习，注重学生学习的过程性评价，重视地理技能的培养，[1]这使得地理实验教学这项教学方法应运而生。在地理课程中融入地理实验适应了新课改的要求，全面体现了新课程的理念。目前，不少教师已开始尝试结合前人与自身的经验设计地理实验，但至今还没有对中学地理实验教学复杂性的理论探讨。而复杂性的探讨是应当先于教学指南、实践而存在的，利用复杂性理论指导中学地理实验教学，对于提高中学地理实验教学的有效性具有重要意义。

一、地理实验教学的复杂性分析

复杂性意味着交织在一起的东西。即当不同的要素不可分离地构成一个整体时，当在认识对象与它的背景之间、各部分与整体之间、整体与各部分之间、各部分彼此之间存在相互依存、相互作用、相互反馈作用的组织时，就存在复杂性。[2]

地理实验教学是指实验者使用相关设备或材料，结合相关地理科学理论，制成地理模型，模拟地理事物和地理现象的发生、发展过程，通过操作和观察，认识或验证地理现象的特征、规律及原理；或在地理课堂之外，教师与学生借助实验仪器进行试验、采用调查或发放问卷开展问卷调查及访谈，以获得或验证某些地理知识的教学方法。

地理实验教学是由许多异质的智能体组成的开放系统。随着时间的推移，这些智能体在相互之间以及和环境之间以一种非线形的方式发生作用。由于主体与环境以及其他主体之间的相互作用，不断改变着它们自身，同时也改变着环境。人们总是在凭借经验解释其内在因素及相关关系，而无法运用标准化的分析方法来分析解释这一教学过程。所以，可以将地理实验教学系统看作复杂适应系统。

地理实验教学作为一个复杂适应系统，其因素本身具有复杂性，因素与因素之间的关系也具有复杂性。地理实验教学系统的主要因素包括课程的主导——教师，以及课程的主体——学生，因素主体的自身素质、观念、兴趣的不同是导致系统复杂性的根本。

1. 组成因素的复杂性

（1）课程主导者的复杂性

第一，主导者（教师）的素质良莠不齐。从人才流动的角度来看，我国农村中小学教师队伍整体素质普遍低于城市中学地理教师已然是一个不争的事实，这使得农村具备开展实验教学意愿和能力的教师可能较少。而即使在城市的中学，其师资也有不同程度的差异。更进一步说，即便是在同一所学校，教师之间的水平也有相对落差，教学风格迥异。

第二，教师的教学观念有偏向。一部分教师可能比较倾向于传统的教学方式，认为以讲授为主，辅以学生互动的教学方法便能够满足学生的需要，达到良好的教学成果；而另一部分教师可能更加赞同创新的教学方式，他们打破传统的教学模式，提倡小组合作学习、提倡探究性学习、提倡实验教学。

第三，教师的兴趣爱好。教师的兴趣爱好不同也可能导致教师对实验教学的重视程度不同。不同时期，教师接收到的外界信息、理论引导、自身感悟不同，其对课程的控制、教学内容的选择、教学方法的设计、教学态度的把握也将不同。例如，在新课改推行之前，教师的知识构架中便缺乏地理实验教学的模块，认为实验是化学、生物、物理的专利，而新课改理念提出后，教师的理念也随之发生了改变，意识到实验教学的重要性和有利之处，开始积极探索研究，将理论付诸实践，把实验教学运用到地理课程中。

（2）课程主体者的复杂性

第一，课程主体（学生）的素质相差较大。首先，农村中学与城镇中学学生素质的差距：由于学校师资水平和硬件水平的差距很大，导致学生的素质相差很大；其次，在同一群体中，学生由于自身先天条件的不同，在领悟能力、表达能力、逻辑能力等方面也有差距，使得同一学生群体中学生的素质也有差别。

第二，学生对待实验教学的观念不同。地理实验教学是一种新兴的教学方法，学生对这种教学方法持有的观念不一致：部分学生能够意识到地理教师开展实验教学的深意或者自身对地理实验很感兴趣，那么他对学习全过程的投入程度也较高；另一部分适应传统教学的学生由于长期受传统教学模式的影响，认为只有教师强调多遍或规定其记忆的部分才是学科的重要内容，而忽视教师精心安排的实验，将其视为可有可无的课堂插曲，完成任务即可，这种观念将直接降低实验教学的效果。

第三，学生的兴趣爱好不同。中学生的思维是开放的，他们的兴趣爱好亦相当广泛，他们热爱新鲜的事物，摒弃陈旧的理念；热爱生动的事物，摒弃沉寂的模式。同时，中学生又是发展中的人，他们的兴趣爱好又是在不断发展变化的。其兴趣爱好存在一定共同之处，但每个中学生又存在自己的独特之处。他们有着各自所特有的性格特质，在后天影响下，有的偏爱动手实践、有的喜欢安静思索，有的选择独自完成、有的则愿意合作完成。

2. 因素之间相互关系的复杂性

（1）因素之间的相互关系

第一层面，教师的素质与学生的特性相互作用，进而相互适应。例如：教师的素质会直接影响实验教学效果，从而影响到学生知识的习得、能力的培养等方面；而学生的素质也会反作用于教师，学生素质低，教师的实验教学内容受限，能力不能得到提升。教师的观念会影响学生的观念，教师重视实验教学，学生也将重视从实验中获取知识、锻炼能力；学生推崇实验也会促进地理教师实验教学的开展。[3]另外，教师教的兴趣与学生学的兴趣也是同一活动过程中的两个方面，二者相互影响,彼此相依。

第二层面，主体（学生）与主体（学生）之间的关系。在地理实验教学系统中，学生与学生之间的关系可以用竞争与合作来概括。首先，在地理实验教学系统中，学生与学生之间呈现出合作的关系。学生设计实验、构建模型或采集数据等，无论是哪个环节，都是需要集众人之长完成的。合作过程中，拥有各种不同知识背景的个体聚集在一起，相互影响，将不同的知识背景相互融合，碰撞出知识的火花。此过程中，学生与学生之间没有素质高低之分，没有观念异同之分，仅有个体对团队的贡献大小之分。其次，地理实验教学中学生与学生之间存在竞争的关系，实验教学会以组别对比的方法作为支撑，鼓励学生以小组为单位组成相应团队相互竞争。与此同时，不知不觉中，学生个体会将集体荣誉感前移至个人兴趣爱好之前。暂时忘却自己的观念、爱好，如此便提高了学生积极性，让其努力为自己所在的团队而出谋划策。于是，地理实验教学过程中便呈现一种合作中有竞争，竞争中有合作的复杂关系。

（2）因素与外界环境之间的相互关系

首先，外界环境与教师的相互作用体现在：教师的生长环境、学习环境、工作环境将直接影响教师实验教学使用的素材和教学水平，教师的实验教学过程也将反馈于外界环境。

若外界环境存在实验教学所能够利用的素材A（该素材可能为某些特殊的地形、地貌，也可为某些小块的岩石、土壤、典型小气候等，也可为相关多媒体影音），而且教师平时注意观察，收集到了这一素材，那么这一素材才会被加入教师实验教学的素材库中。在这一过程中，外界环境素材A给予教师个体刺激，使得教师的记忆中存在素材A，教师才能够在日后的实验教学中得以提取出对素材A的记忆。教师个体对素材A做出反应，将素材A与自己的教学系统联系在一起，并对A加以利用，对外界环境形成反馈。如果外界环境不存在该素材或教师未能及时的对该素材做出反应都会导致实验教学系统中素材的缺失。（图1）

图1 地理实验教学系统中教师与外界环境的相互关系

同时，外界环境通过影响教师的知识结构而影响教师的地理实验教学水平。地理实验教学对教师的地理学科专业知识和教育学基础知识的要求都相当高，如果外界环境未曾提供给教师以足够的相关专业知识和教育学基础，或者教师未曾很好的吸收外界环境中的相关知识，这将直接局限地理教师的实验教学水平。教师不能够合理安排或指导学生设计实验、或者即使勉强设计了也不能够达到应有效果。

外界环境与学生的相互关系则体现在：外界环境影响学生的素质。由于从小接触的事物、接受的教育及其所处的地域文化背景存在的差异，学生之间的知识储量与能力类型显示出明显差异。例如：农村学生从小与未受人类改造的自然界接触较多，其对自然界所发生事物的规律耳濡目染，在自然地理类实验的素材选择、实验设计和实验操作中就显示出较高的积极性和创造性，如水土流失实验的创作中就能看出农村儿童的设计速度与效率明显优于城市学生；城市学生每日生活于钢筋混凝土建筑之中，偶尔与人工绿化带接触，其对未经改造的自然接触甚少，所以在部分自然地理类实验中，他们的要稍逊与农村学生，但他们在人文调查方面的优势却是显而易见的。他们在制作电子表格（用于数据统计）、与外界交流了解情况、分析处理数据等方面优于农村学生。

二、地理实验教学系统的复杂性特征

1. 非线性

地理实验教学系统中各因素的相互关系呈现出非线性的特征。地理实验教学系统中的因素具有复杂性特征，因素之间的相互关系具有复杂性特征，实验教学效果既与教师的自身素质、观念思想、兴趣爱好等相关，又与学生的素质、观念、兴趣相关，并且与教师与学生之间的相互关系、学生与学生之间的相互关系、教师与外界环境的作用、学生与外界环境的作用密切相关。由此可推知：地理实验教学系统中的教学的效果与各因素之间的关系都不是简单的、线性的，而是复杂的、非线性的，它们相互作用、相互影响（图2）。

图2 地理实验教学系统

地理实验教学系统的非线性特征具体为：实验教学成效与教师的教学状态、学生的学习状态、外界环境的控制状态均呈非线性关系。教学成效与教师的工作态度、课程理念、教学能力和教学水平，学生的知识构架、学习能力、学习态度，外界环境的理念引导、控制监督这些因素中的任意一个都不是线性相关的。这些因素相互联系、相互影响，共同作用于实验教学成效。

2. 不确定性

地理实验教学系统是一个复杂的系统，因素繁多且相互关系复杂。因素所具备的特性并非一成不变，而是随其他因素的变化而变化的，因素之间的关系也不是确定的。

第一，相对于物理、化学、生物实验，地理实验教学的教学内容、教学方法都是不确定的。地理实验教学的理念是随新课改的提出而渐渐形成、完善，在此之前，研究者、教师、学生对地理实验教学的关注度很低。所以地理实验教学并不像哪些传统学科的实验教学一样拥有自己的实验教学体系和的实验用书，其教学内容和方法都正在探索、研究中。同时，地理学科的性质决定了地理实验教学的不确定性。高中地理学科的内容包括：自然地理、人文地理、区域地理。其知识内容涵盖广、跳跃大，实验设计也必须与当地实地情况相结合，这使得地理实验教学内容的确定具有难度。

第二，实验教学过程的不确定性。实验教学中使用的地理实验有绝大部分均为模拟实验，通过实验模拟地理事物和地理现象的发生、发展过程来认识或验证地理现象的特征、规律等。模拟过程中简易操作装置很难控制实验中的诸多因素，例如为了验证地转偏向力的存在，设计了以下实验[4]：

①选择无风的日子，将三根木头搭成一个高约2．5m的支架，再将硬卡纸做成一个圆锥体。椎体上部系三根长约2m的细绳，三根细绳须均匀系在纸上，保证圆锥体尖端垂直向下，最后将绳子系在三角支架上（图3）；

②在沙漏中装入细沙，用剪刀在圆锥体尖端剪出一个小孔，推动沙漏做钟摆运动。

该实验通过观察沙的扁长的椭圆形运动轨迹可发现沙漏并不是来回做直线运动，从理论来看的确能够验证地转偏向力的存在。但只有排除了外界的诸多阻力的情况下才能形成完美的实验结果——扁长的椭圆形运动轨迹。而在现实中存在许多不确定的因素：空气阻力、重力（随沙量的减少而减小）、绳子的拉力、以及椎体系在木头上的部分与木头的摩擦力，很难完全排除这些阻力的影响，无疑会影响椎体的运动轨迹。

图3 验证地转偏向力的存在

第三，实验教学效果的不确定性。在教学过程中,学生的智力活动会因为学习情景的变化而产生变化，学生的情感、态度、价值观也会随之发生多种变化。[5]生活在特定环境中的主体不断从环境接受刺激，并根据经验作出反应。反应的结果可能是成功的——达到预期目标，也可能失败——未达到预期目标。[6]所以实验教学的效果与诸多因素有关，一个环节发生问题都有可能对实验教学的效果产生重大影响：教师理念的更新与否、学生兴趣、学校政策的导向都会一定程度影响地理实验教学系统。

3. 开放性

地理实验教学是开放的系统。虽然我们认为地对实验教学的地点和时间进行了限制，但其系统中因素的开放性和因素间关系的开放性却是不能限制的。在实验教学过程中遵循师生平等的原则，给予学生开放的学习氛围，师生相互学习，共同进步。学生的思维是开放的，其背景知识积累对其思维方式与内容产生影响，每位学生都拥有自己的独特想法。教师在教学前会提前进行教学预设，而学生与教师的思维方式和知识结构存在差别，他们思维活跃，在互动过程中可能会生成许多预设之外的成果。在教师的引导下，学生可能随时会生成一些对实验教学的改进有利的新想法。在实验执行过程中，学生也能够提出许多与实验相关的疑问，这将成为教师弥补实验教学中的不足和提升自我的资源。同时，学生在此过程中也得以互相合作设计、讨论方法、交流思想，充实自己的知识库，学习他人所长。

4. 自主性

在地理实验教学系统中，学生个体有其自身的目标、取向，能够在与环境的交流和互动作用中，有目的、有方向地改变自己的行为方式和结构，达到适应环境的合理状态。[6]教师作为引导者，赋予学生学习情境，构建模型或给学生搭建实验设计和思维的平台。无论是教师演示实验还是学生操作实验，在实验过程中，教师都不给予过多的解释，给学生预留开阔的思维空间。学生带着教师的问题，设定目标，组成小组，开展交流互动，归纳实验产生的现象、讨论实验反应的机理、总结实验中蕴含的规律、发表小组建议，全过程均在教师的引导下，学生自主完成。实验过程中，学生与学生之间、学生与教师之间亦互为外部环境，相互影响，其不同的知识、能力背景相互摩擦、碰撞，最终对教师、学生个体自身的行为方式、能力与知识结构产生影响，达到适合环境的状态，即将实验中获得的知识融入自身知识库中，当然，每个人摄取的知识与其自身条件也有着密切联系。

三、地理实验教学系统的复杂性对有效教学的启示

1. 更新理念，反复实践

地理实验教学具有不确定性，这要求教师充分考虑到影响实验成效的各种因素并合理地进行处理。首先，应当全面检测实验教学过程中的种种不可避免的影响因素，不仅在脑海中形成种种假设，还要不断、反复地进行实践，付诸实施。要知道实验不是想出来的，而是做出来的。教师不能够仅仅靠思维来设计实验，而要在演示或让学生自己操作之前自己亲力亲为，动手操作，并将不确定因素考虑在内，不断控制不确定因素，直到实验结果达到最佳。其次，教师应当不断更新自己的思想理念。随着新课改推进的脚步，每位教师都在根据自身情况努力尝试，我们的周边充斥着全新的理念。这些理念繁多而杂乱，有些甚至很难被众人接受。教师应当辩证地去看待这些理念，取其适合自身发展的部分糅合到自己的思维与实践中。同时，教师应以身作则，以全新的理念感染学生，让学生学会用新的理念、新的方法去指导自己的学习，理解教师的设计用途，努力培养自身综合素质。

2. 提高素质，关注学生

地理实验教学具有开放性。这在无形中提高了对教师综合素质的要求。地理实验教学系统中，教学方式是开放的、教学内容是开放的、学生的思维是开放的、学生之间的合作讨论和思维交互更是开放的，这就要求教师除了掌握教学所需的学科知识、教育学知识、教学论知识，同时还必须掌握相关实验设计的知识，具备实验操作能力以及探索、研究的精神，能够积极地应对开放环境中生成的各种问题。所以，教师在课余时间内必须开拓自己的视野，积极摄取来自各种渠道的知识，弥补自身不足；关注身边的地理事物和地理现象，从生活中的细节发现地理知识，为实验教学积累素材；有意识地发掘自身创造能力。只有教师首先具有创造意识，才能在潜移默化中感染学生，激发其创造性思维。

教师创造的开放性氛围也将进一步拓展学生的思维，使得学生在实验教学过程中生成许多超出教师预设的信息。教师有必要细心记录这些课堂生成的信息，对其进行整合，并将这些精华部分视为实验教学系统的一种推进力量。

3. 学生主体，教师主导

地理实验教学的自主性要求地理教师在实验教学过程中树立教师为主导，学生为主体的思想。教师是学生学习的引导者、辅助者。在教学过程中，教师在实验的目标方面引导学生，告知学生本次实验的目的；在实验的实施方面辅助学生，在学生已有思考的基础上帮助其改善，给予没有思路的学生以启发；在实验的总结方面指导学生，告知学生应从哪几方面总结，但并不是代替学生总结，而是将实验总结的自主权交付学生。

目前的地理实验教学依然停留在教师演示、学生观察的阶段，学生自主参与操作的实验并不多见，这样的实验教学是不能达到其预设效果的。教师不能单纯地为设计实验而设计实验，而应结合整节课的目标和内容进行考虑。教师在进行课程设计之前，统筹考虑本节课学生在知识、技能、情感价值观三维目标方面预计能得到怎样的提升，课堂想达到怎样的成效。假设学生在场，考虑到学生思维能力、可能的反应等等，对实验过程中的问题设计和作答时间预留都准确把握。切忌在实验教学的过程中，独自完成实验操作，留给学生的只有表面印象，没有深入体会。一次没有学生思维参与的地理实验教学是不成功的地理实验教学，学生才是实验教学的主体，教师一定要把握好引导的“度”和“量”。

[1] 普通高中地理课程标准[M]. 人民教育出版社, 2004年: 17

[2] (法) 埃德加•莫兰著, 陈一壮译. 复杂性理论与教育问题[M]. 北京: 北京大学出版社, 2004: 27

[3] 闾阀美.简析美国地理教材中“活动”的特点[J].中学地理教学参考. 2007(5): 60

[4] 相炜, 彭洪兰. 巧用小实验——地理新课程教学的亮点[J]. 中学地理教学参考. 2006(3): 23

[5] 王肇和.中学地理教学过程的复杂性探讨[J].苏州科技学院学报(自然科学版). 第25卷第1期. 2008(3): 63

[6] 北京大学现代科学与哲学研究中心. 复杂性新探[M]. 人民出版社. 2007: 148-149