“蝴蝶效应”在地理教学中的运用——以高中地理必修1《常见的天气系统》为例

江苏省南京市栖霞中学（210033） 戴建波

一、“蝴蝶效应”理论

“蝴蝶效应”是混沌学理论中的一个概念，属非线性现象。蝴蝶效应是气象学家洛仑兹60年代初的发现，一次在利用计算机计算天气预报的过程中，他没有从头计算，而是中途时将上一次计算的初值输入，结果造成很大的偏差。关于“蝴蝶效应”理论，他形象的描述为：南美亚马逊河流域热带雨林中的一只蝴蝶，偶尔扇动几下翅膀，可能在两周后会引起美国德克萨斯州的一场龙卷风。究其原因：蝴蝶翅膀的运动导致其身边的空气系统发生了变化，并引起微弱气流的产生，而微弱气流的产生又会引起它四周空气或其他系统产生相应的变化，由此引起连锁反应，最终导致看似不相关的其他系统的极大变化。今天的“蝴蝶效应”理论已不再限于当初洛伦兹仅对天气预报而言的概念，而是对初值极为敏感的复杂系统的代名词。对于复杂系统，在一定的“阈值条件”下，其长时期大范围的未来行为对初始条件数值的微小变动或偏差极为敏感，即初值稍有变动或偏差将导致未来前景的巨大差异，这些变化往往是难以预测的。“蝴蝶效应”的出现导致了混沌理论的诞生，提出了认识世界的新方法。

二、“蝴蝶效应”对教学的启示

教学是一系列动态、复杂的过程，包括诸多的因素和环节。“蝴蝶效应”理论的出现带给了教育教学一个新的思维视角：对教学初始条件和教学细节的干预可以影响最终的教学效果。教学系统中，教师总处于引导地位，而学生成为课堂讨论的主体，因此教学呈现出一种确定中的变动，“初始值”的变动会直接影响教学的最后成果。如果教师把握不住初始值的变动，就有可能导致教学效果的最终偏离。因此，教师应在局部混沌、总体方向明确的思想指导下，善于观察和思考在教学过程中产生的蝴蝶效应事态，对其效应进行“收敛”，及时而有效地进行引导，促使“蝴蝶效应”服务于教学，达到预期的教学目的，最终服务于学习者。

三、“蝴蝶效应”在地理课堂教学中的运用

如何在教育教学中利用蝴蝶效应的思想，促进学生的学习与发展，融入蝴蝶效应的思维是研究教育教学系统与蝴蝶效应关系的重要途径。在20世纪60年代，随着蝴蝶效应逐渐渗透至教学研究领域，以Jonassen、Dowding等为代表的教学设计专家对混沌理论在教育教学中的运用也进行了一些探索性的研究，认为教学过程充满了蝴蝶效应等混沌性。由于教育教学系统中诸多复杂因素，线性教学设计的可操作性被弱化；教学目标更多是生成的，而不是预设的；要注意教学评价的多样性。这些全新的教学设计理念为有效指导教学实践、促进良性蝴蝶效应提供了依据。下面以《常见的天气系统》一课为例进行具体阐述。

1. 教学目标与蝴蝶效应

教学目标是教学的出发点，是产生良性蝴蝶效应的初始条件。合理而有效地编制教学目标可以促进正面的蝴蝶效应的产生。

《常见的天气系统》的教学目标：

知识目标：掌握冷锋、暖锋的特点以及受其影响下的天气特征；掌握气旋和反气旋的气流运动特征及其对天气状况的影响。从现实的天气现象出发，运用所学的理论知识去解决实际问题。

能力目标：能看懂天气预报中的天气形势分析，能用简易的天气图分析各地的天气变化趋势；初步学会绘制锋面示意图和气旋、反气旋示意图。充分运用教材所提供的“活动”，在教师预设的问题引领下，学生进行自主、合作、探究学习。

情感目标：正确认识天气的形成和变化，表现出科学探索精神和团队意识。

教学目标的阐述要具有多维度性，认知领域、动作技能领域、情感领域等方面的目标实现都要兼顾。尤其是情感领域的目标，由于其在教学中很难测量，所以教师常常无法进行有效控制。如通过知识和技能学习培养学生的合作精神，形成积极向上的态度等方面的情感目标，教师在实际操作中很难保证学生是否真正形成。这不像知识点和动作技能的学习，可以通过反复练习和测试就可了解。学生的态度形成很复杂，它不仅和教师的引导有关，还和学生所处的家庭环境、社会环境有很大关系。在如此复杂、动态的情境中，蝴蝶效应的发展事态是难于估量的。几年前清华大学的学生用硫酸泼熊的行为，绝不是行为的偶然变化，而是其在成长过程中被忽视的发生在他身上的一系列微小问题行为，即蝴蝶效应中初始条件的微小变化，在后续成长中又没有及时给予引导和控制，以致最终产生令人汗颜的行为。因此，在教学目标中隐含着蝴蝶效应的初始条件。教师在制订教学目标时，要尽可能考虑目标的多样性与合理性，尤其对学生的情感目标实现与否以及态度的改变要多一些关心，避免引发负面的蝴蝶效应。

2. 教学策略中的蝴蝶效应

如果说教学目标隐含着蝴蝶效应的初始条件，那么教学策略就是引发良性蝴蝶效应的可控条件。在选择实施教学策略时必须要有这样的理念：让学生勤于思考、乐于动手、勇于表达。为了能够产生这样的效应，教师应该有意识地在不同教学策略中干预产生这种蝴蝶效应的初始条件。如果采用的是传递—接受式教学策略，不要以为它对于培养学生的高阶思维作用不大，关键在于教师的干预和引导，使之形成良好的学习习惯，引发蝴蝶效应。

（1）学情分析

初中已经接触了有关天气的知识，只是学生对于这方面的知识是零散的、不系统的，还没有形成知识结构。而高中阶段的教学是在学生已有的大量感性知识的基础上，要求学生进行理性的思考。收听天气预报是学生在日常生活中了解天气的主要途径，他们对于天气的成因很感兴趣，有较强的求知欲。同时，高一学生思维活跃，已具有一定的问题研究能力、分析能力及表达能力，但推理能力较差，对于复杂问题，认识上还存在着局限性，还不能从整体上认识事物。

（2）材料分析与教学方式

知识目标1：掌握冷锋、暖锋的特点以及受其影响下的天气特征。

为了解决学生学习上的难点，精心设计教学过程，将冷锋和暖锋的气流运行方向、锋面形成过程、锋面过镜前——过境时——过境后的天气等利用多媒体手段进行对比讲解，便于学生观察理解。在教学过程中，通过动画演示，让学生仔细观察，启发学生，分析问题。

内容设计 设计意图及依据1.动画演示：冷、暖锋的形成过程及其控制下的天气状况；2.分析讨论锋面两侧冷、暖气团的温度、湿度、气压差异以及气团在锋面上运动产生的地理现象；3.根据冷、暖锋示意图，理解冷、暖锋的区别；4.以冷锋为例，设置问题分析天气变化。动态形象地展示冷、暖锋过境前、过境时、过境后出现的天气现象和天气变化，变宏观的不可视现象为微观的可视现象；对于学生学习上的障碍，教师适时点拨指导，以第4小点为例：[展示动画“冷锋与天气”]，学生分析回答，冷锋系统对天气的影响可分为三种时态：①将来时，冷锋即将过境，目前受暖气团控制，天气为晴暖或晴间多云；②现在进行时，冷锋正在过境，一般出现刮风、阴雨和降温天气；③过去时，冷锋已经过境，受冷气团控制，气温明显下降，但天气转晴。培养学生分析地理事物的能力。

在教学过程，教师要注意引导启发，特别是教师在讲解一个题目时，要善于启发学生的思维，例如：分析第4小点时，让学生运用类比（与英语时态：过去时，现在进行时，将来时）进行比较，深化知识点。对于问题，要让学生处于不断思考与表达的情境中。然而有时，教师引导的效果却不尽如人意，学生总是支支吾吾，回答时不知所以然。在这种情况下，教师一般的做法就是直接将答案告诉他们，这样一来教师省心，学生也学得轻松。长此以往，学生们习惯了权威的控制，没有了批判的精神，懒得动手、动脑、动口。然而，就是这样一种教师不经意的教学习惯，让学生们的懒惰也成为习惯。在这种情况下，即使有了引发蝴蝶效应的初始条件，也会因为学生的学习与生活习惯而改变。居里夫人在一次偶然的机会发现了铀元素，这与她平时日积月累的学习习惯、科学素养有关系，绝非偶然。注意学习与生活中的一切细节、养成良好的行为习惯，谁又能说捉住美丽的蝴蝶只是幻想？蝴蝶效应的产生也许能有效阐释必然与偶然临界点的存在。细节决定成败，不论是正面的蝴蝶效应还是负面的蝴蝶效应的产生，都跟它的初始条件有着必然的联系，“偶然”仅仅是表面现象。如何引发正面的蝴蝶效应，培养学生的高阶思维能力和解决问题的能力？教师能做的就是从教学策略中主动干预引发蝴蝶效应的初始条件，使学生养成良好的学习与思考的习惯。

传统的教学设计具有明显的线性、可操作性倾向。认为事先制订好的教学设计方案可以用于大多数相似的课堂与情境。学生在这种情境中接受预设的知识内容，达到预期的目标，最后面临教师的考验，一切都顺理成章。然而，蝴蝶效应的引入给教育教学工作者一种新的思维视角。混沌学认为，知识的内部表征不断地变化着，不存在学习者必须去掌握的客观现实。学习是一种社会性的活动，每个对话都是不同的。因此，不可能设计出一种最优的、普遍适用的教学设计方案来满足不同的教学需要，他们否定了教学系统的线性流程，关注系统存在的混沌与无序。

知识目标2：掌握气旋和反气旋的气流运动特征及其对天气状况的影响。

气旋、反气旋部分运用动画进行讲解（低压部分由教师示范讲解，高压部分由学生模仿讲解），这样既使复杂知识简单化，又培养学生动手实践能力和自主学习能力。

内容设计 设计意图及依据1. 教师利用动画讲解北半球的气旋(低压)，引导学生分析与低气压相伴随的天气现象；2. 在教师示范讲解的基础上，反气旋(高压)由学生操作动态投影片模仿讲解；3. 设计表格归纳，总结“低压和高压系统”。教师设计小步子程序法进行教学。教给学生分析问题的方法和步骤；学生操作动态投影片，培养了他们的动手实践能力、自主学习能力及创新意识和创新思维能力；利用表格进行归纳总结，帮助学生完成“由感性到理性、由具体到抽象”的认知过程，有利于培养学生的发散思维和综合思维能力。

根据内容设计，引导学生结合初中所学“地形雨形成过程”的知识，按照上述的思路分析气旋和反气旋对天气的影响，这部分内容应很容易掌握。但在引导分析的过程中，有学生提出：气旋（或反气旋）水平的气流方向与垂直的气流方向混淆不清。为了解决这个问题，下载了下雨天水流向下水道的视频，课上让学生观察，水是如何流到下水道的。气流在水平与垂直方向上与水流入下水道的原理一致，也是源源不断地流淌。蝴蝶效应的引入使教学设计的线性操作得到理性反思。它引导人们更加全面地看待教学设计，毕竟教学过程的设计不同于其他工程项目的设计。一方面，教育、教学活动本身具有规律性，存在其有序的一面，从这个意义上讲，对教学过程设计的结果可以是一套可控可行的线性方案；而另一方面，教育、教学过程是由学生、目标、内容、策略、方法、反馈等诸多要素组成的复杂系统，所以它具有系统的基本特征，即复杂、动态、开放。线性教学设计关注前者，强调设计方案与规律的适切性问题。因此，它用理性的思维控制教学过程的各个环节，包括学生，而且采用一些技术手段干预和影响教学过程，以便尽快实现教学目标；而蝴蝶效应给教学设计的启发是，不仅要看到教育教学的有序性，还应多关注教学系统的复杂性、不确定性等混沌效应。因此，在进行教学设计的时候，教师要注意课堂中的“意外”，并给予正确引导，在课堂中多一些鼓励和评价，课堂与教学都是“动态的”，有时无法预测。或许这些“细枝末节”就是引发良性蝴蝶效应的初始条件。肯定学生的主观能动性，教育教学系统的复杂性主要体现在学生的复杂性上。传统的教学过程把复杂的教学系统简化为一个类似工业的生产流水线，将学生当作客观的“物”来进行设计，学生就是学校的产品，产品的合格率直接影响到学校招生情况。这种设计观念更多看到了人在发展中的普遍规律，忽视了人的复杂性，即人的思维、意志、本能、情感、愿望等非理性因素。蝴蝶效应的发现为人们提了一个醒，最终引发轰动效应的正是这些平时养成的志向、愿望、价值观等。因此，提升学生主观能动性是引发良性蝴蝶效应的又一途径，在教学设计中要尽可能采用超媒体方式组织教学内容；在教学方法上要以启发、讨论、协作为主；由于人的思维的复杂性，应注意发展和培养元认知，开发元认知能力，促进蝴蝶效应的产生。

知识目标3：联系生活实际，从现实的天气现象出发，运用所学的理论知识去解决实际问题。

把课后活动内容“试做天气预报员”提到课堂中完成，既复习了本节课的内容，又增加了课堂的趣味性。

内容设计 设计意图及依据学生模仿天气预报员播报天气：首先根据简易天气图，把一些关键词填在空格上，组成一份完整的天气预报文稿，然后再试着进行播报。对本课知识点进行发散思维训练，培养学生发散思维、综合思维能力及创新意识和创新思维能力。

四、教学反思

在教学过程中，对“蝴蝶效应”的收敛和处理采取诱导信息的抛出法，即在学生的大脑陷入无序状态或思维停滞不前时，教师适时抛出诱导信息帮助学生解决问题，使学生在教学中进行自我评价，并由无序走向有序。在教学的最后环节，教师进行分析、归纳、总结，同时把教师对学生的评价和学生的自我评价结合起来，充分挖掘学生思考问题的能力。培养学生的发散思维、创新意识、实践能力，这是一种非线性的教学设计模式。教师根据教学任务，从顺序结构出发，通过整合学生的发散思维，可能会引导学生先切入学习。从这种模式可以看出，其教学环境是以教师、学生、学习资源为代表，突出了学生的主体作用，教师成为学生学习资源与学习过程的设计者、教学策略的决策者及学生学习过程的指导者、组织者、管理者。学生作为认知主体，在教师的指导下，激发发散性思维，对目标部位尝试修改，从而构造出问题情景，产生“蝴蝶效应”。教师帮助学生处理混沌的过程，也是学生自我评价的过程，学生的这种形成性评价在一定程度上产生教学需要的效果，最终形成总结性评价。教师通过一个题目考察学生的实际应用能力，并根据学生的课堂情况做课堂总结。在这种开放模式中，教师以非线性的方式引导学生学习，学生是学习的中心。

在对蝴蝶效应的思考中，一种从未有过的感受是，通常所说的教学评价、教学质量都是相对的，对于复杂系统而言，评价将变得非常困难，不仅要考虑当前的状态，而且要分析其未来的发展。蝴蝶效应要求理性地认识教学评价，把握动中有静、静中有动的辨证唯物观。即使如此，对于短期内的教学评价仍是不可或缺的，它可以让人们及时发现问题，扭转局面，但由于教学系统的复杂性，教学评价也应是多元的、复杂的、动态的。依据蝴蝶效应的思想，教学是为人而设、由人而为的事物，评价的复杂性不仅体现在教师和学生这一双主体的复杂性上，还体现在与人息息相关的外部环境的复杂多变上，这种系统与部分之间的非线性相互作用使得教学评价应具备整体性、动态性、开放性、发展性和多元性。既要对知识与技能进行测评，又要对过程与方法、情感态度与价值观进行衡量；既要对过程进行评价，又要对结果进行评价；既要对“量”进行评价，又要对“质”进行评价；既要对自身进行评价，又要对他人进行评价；既要有静态的评价，又要有动态的发展性评价。只有这样，才能真正实现教学评价的功能。