基于CAS理论的大学课堂教学

张利斌 涂慧

摘要：从CAS理论的四个特性和三个机制说明了大学课堂教学是复杂自适应系统，分析了大学课堂如何实施主体性教学方法，描述了适应性主体的刺激——反应模型和大学课堂回声模型，最后，提出了基于CAS理论的大学课堂教学模式——“团队适应性竞争”，并进行了案例验证。

关键词：大学课堂教学；主体；适应性；复杂性；CAS

中图分类号：G648

文献标识码：A 文章编号：16749944（2016）09022006

1 引言

教育是“直面人的生命、通过人的生命、为了人的生命质量的提高而进行的社会活动，是以人为本的社会中最体现生命关怀的一种事业[1]”。面对未来社会的发展，国际21世纪教育委员会提出了“教育的四大支柱”——要培养学习者学会认知，学会做事，学会共同生活，学会生存这四种能力[2]。然而，传统的教育理论是建立在机械还原论基础之上的，采取简单、线性、决定论的方法来处理和对待大学课堂教学问题。进入21世纪，自然界以及哲学界在世界观方法论上发生了巨大改变，复杂性科学逐渐被大家认识和接受，它是以还原论、经验论及纯科学为基础的经典科学，是吸收系统论、理性论和人文精神而发展形成的新学科，作为复杂性科学的重要理论之一，复杂自适应系统（Complex Adaptive System，简称CAS）理论越来越多地受到人们的关注，并在很多领域取得了成功。“教育活动的因素、过程与其结果之间的相关关系是概率论的，而不是决定论的[3]”，在大学的课堂教学方面表现的尤为明显。因此，转变思维范式，把CAS理论引入大学课堂教学，成为当代高等教育理论和实践发展的必然要求。本文拟在这方面作相关探索。

2 文献综述

康德海和李枭鹰（2006）研究了复杂性视域中的教育选择问题，指出，由于机械决定论统摄下的教育完全成为一种可操作的技术性行为，因此，必须走出简单教育的樊篱，树立复杂性教育思维，归还教育主体以选择权，步入本真意义的教育殿堂[4]。

许多学者采用CAS理论分析高校思想政治教育问题。卢卫林（2005）指出高校思想政治教育就是一个复杂自适应系统，运用CAS理论提出高校思想政治教育应遵循的六大原则：主体原则、活力原则、整体涌现性原则、目的性原则和冲突进化原则[5]。谭文华（2012）基于CAS理论研究了如何提升高校思想政治课课堂教学实效问题，提出六条改进措施：了解学生学习背景，引导目标兴趣统一；合理组合各种“积木”，做好课程教学设计；设置疑难争论环节，实现无序有序转化；传递有效教学信息，利于学生识别选择；运用教学语言艺术，吸引学生集中精力；淡化师生角色差异，共同建构高层模型[6]。崔霞（2013）基于CAS理论研究了高校思想政治理论课教学设计的有效性问题，指出：要突出教学主体的主动性、适应性；注重教学目标和内容的动态生成过程；实现微观教育与宏观目标的有机结合[7]。

还有学者基于CAS理论分析了实验教学中的问题。马雷（2006）利用CAS理论分析了职业教育电子技术虚拟实验教学的学习环境设计问题，指出利用CAS理论容易解释实验系统的整体适应性、实验环节的多目标性和多层次性、实验功能的全面适应性、实验过程的灵活性、实验中信息交互的便捷性和实验教学管理的科学性等特点[8]。欧阳明，白晓晖，高山（2010）研究了CAS理论在创新实验教学中的应用问题，指出采用自适应策略，开展本科生创新实验教学能更好的发挥学生的主动性，培养其创造性[2]。

此外，刘德飞和李奎（2011）研究了CAS理论在珠心算教学中的应用问题，分析了CAS理论在珠心算教学中应用的复杂性和可行性，并结合实际教学中存在的问题，提出了应该注意的问题[11]。

也有学者运用CAS理论分析了教学设计和学业评价。闻小娇（2010）以CAS理论来审视和分析教学设计，构建了一个可行的教学设计模式，突破老三论指导的局限，修补了对教学系统简单性、封闭性的认识[9]。白晓晖（2011）指出教学正逐渐从重知识的传授转变为重能力的培养，他把CAS理论引入到学业评价系统中，探讨如何才能更加合理、客观、公正、发展地评价学生的学业成绩，设计了学业评价指标，并付诸实践，探索其可行性和可操作性[10]。

通过文献梳理，发现有学者开始用CAS理论的思维和方法研究教育和教学中的相关问题，但鲜有学者深入研究如何将CAS理论融入大学课堂教学中，提升大学课堂教学质量问题。因此，针对现有研究不足，本文运用CAS理论，首先指出大学课堂教学是CAS，分析了大学课堂教学的4个特性和3个机制，其次，分析了主体性教学方法，描述了适应性主体的刺激——反应模型和大学课堂回声模型，提出了基于CAS理论的大学课堂教学模式：“团队适应性竞争”，并以具体课程案例进行了分析。

3 CAS理论简述

CAS理论是霍兰教授（2000）在多年研究复杂系统的基础上提出来的[12]。其基本思想是：CAS的复杂性起源于其中个体（Active Agent）的适应性，正是这些个体与环境以及与其它个体间的相互作用，不断改变着它们的自身，同时也改变着环境，CAS最重要的特征是适应性，即系统中的个体能够与环境以及其它个体进行交流，在这种交流的过程中“学习”或“积累经验”，不断进行着演化学习，并且根据学到的经验改变自身的结构和行为方式。各个底层个体通过相互间的交互、交流，可以在上一层次，在整体层次上突现出新的结构、现象和更复杂的行为，如新层次的产生、分化和多样性的出现、新聚合的形成、更大个体的出现等。大脑、免疫系统、蚂蚁群体、人类社会经常被视为CAS例子。

霍兰根据以往研究遗传算法和系统模拟的经验，提出了CAS系统在适应和演化过程中七个要素：聚集（Aggregation）、标识（Tagging）、非线性（Non-linearity）、流（Flows）、多样性（Diversity）、内在模式（Internal Model）、积木（ Building B1ock）[12]。

CAS理论有四个特点：（1）CAS理论强调主体是主动的、“活”的实体。（2）CAS理论认为个体与环境、个体与其他个体之间的相互影响、相互作用，是系统演变和进化的主要动力。（3）CAS理论把宏观和微观有机的联系起来了，通过主体的相互作用，使得微观主体变化成为整个系统宏观变化的基础。（4）CAS理论引进了随机因素的作用，具有更强的描述和表达能力。由于以上这些特点，CAS理论具有了与其他方法不同的、更具特色的新功能和特点，特别适用于对生物、生态、经济、社会等复杂系统的研究[13]。

4 大学课堂教学CAS

CAS中主体的“活性”一方面表现在主体在与环境以及其他主体进行交互作用的过程中，能够不断地“学习”和“积累经验”，并据此使自己得以发展，更好地适应现实环境；另一方面表现在由“活性”主体所组成的整个系统在不断演变和进化[2]。若一个系统是CAS就应该满足两个条件：第一，该系统必须由具有“活性”的主体组成；第二，整个系统在主体适应的过程中能不断进化。

大学课堂教学满足以上两个条件。首先，课堂教学存在两类主体：学生和教师。不同学生具有不同的认知特点、兴趣、性格等，在教学过程中通过与其他教学主体和教学环境的交互作用，不断地获取信息，调整自身行为，最终达到自身发展和适应环境的目的。教师作为另一类主体，在课堂教学中，根据不同的教学情境调整教学策略，以便达到更好的教学效果，同时，自身教学经验也得到积累。其次，课堂教学随着主体（学生、教师）认知结构的不断完善和经验的不断积累表现出整体的演变和进化[2]，表现在大学课堂教学效率和效果的提升、学生学习兴趣和学习能力的提升、老师教学方法的改善等。所以，大学课堂教学是一个CAS，具有CAS的四个特性和三个机制。

聚集性：学生和教师是课堂教学的主体，为了共同的目标，学生与学生粘着形成各种兴趣小组和学习小组（介主体），各种兴趣小组、学习小组通过聚集与老师交互，形成形式多样、风格迥异的课堂（介介主体）。不同主体之间或不同层次的主体之间有效地协调和共生，在新的更适宜自身的环境中得到发展，形成一个不断进步的大学课堂教学系统。

非线性：主体之间、层次之间及主体与教学环境之间的相互关系是非线性的，任何微小的变化都有可能导致课堂教学效果的巨大差异。学生与教师之间不是简单的、被动的、线性的因果关系，而是主动的“适应”关系，这种适应关系是各种反馈（包括正反馈和负反馈）作用的结果。如学生根据老师的授课进程，及时安排复习和预习的相关内容；老师基于课堂授课效果，调整教学进度，改进教学方法，提高教学效果。

流：大学课堂上不仅包括信息流和知识流，而且还包括情感流、道德流、友谊流等，这些流在师生之间、学生和学生之间、学生与教学媒体之间流动，具有随机性、目的性和偶然性等特征。这些流的周转是否迅速、渠道是否畅通都直接影响到主体和大学课堂教学系统的演化进程是否顺利。

多样性：主要表现在教师、学生、教学媒体、教学内容及形式多样性、这些元素本身的多样性以及元素之间组合形式的多样性。如：学生的年龄、性别、家庭背景、经历、知识背景、学习目标等都各不相同，教师的教学经验、风格、方法和目标等也各不相同。这种多样性具有持续性和协调性，因为它本身就是不断适应的结果，每次新的适应都为进一步的相互作用和新主体的产生（新的生态位）提供了可能性，也为系统新特性的出现提供了可能。学生和教师的个人特征会随着学习和教学的进展而发生变化，不同教学元素的组合会产生不同的教学效果。

标识：包括学生的学号、学生认知风格、小组序号等，它是为了使学生和教师便于识别和选择，便于信息的流动。

内部模型：主要指学生和教师的认知结构，学生和教师据此对教学环境和教学活动做出预测，进而采取行动，并根据经验和实际的教学效果来修正这种认知结构，使学习能力、适应能力和教学能力得以提高。

积木：学生、教师、媒体、教学策略和方法等等都可以看成积木，为了优化教学，必须进行积木的有效组合[2]。主体内部模型就是由各种积木组合而成的。

综上所述，大学课堂教学具有CAS特性，因此，CAS理论在大学课堂教学的理论和实践领域具有适用性和指导意义。

5 大学课堂实施主体性教学方法

传统的大学课堂教学模式强调教师在教学过程中的主体作用，把教学视为教师向学生传递信息的单向过程。这种以讲授知识为主的课堂灌输式教学，容易使教师将所有精力集中在所授知识的全面性和完整性上，忽略学生的主体性，不关注学生的学习兴趣和认知水平，更不会在带动学生参与教学活动上下功夫[14]。然而，CAS理论认为，教师和学生都是大学课堂教学的主体，只不过二者在教学过程中的作用有所区别：教师在教学过程中坚持以人为本，通过实施有效的教学方法，整合有效的资源，促进、改善学生的自我建构、自我改建，实现学生的全面协调发展；学生通过主动地与老师、其他同学进行交互，不断改变自身行为以适应社会和经济发展要求。传统教学方法与主体性教学方法的区别具体见表1。

大学生已经具备独立人格，希望摆脱高中时期灌输式的应试教育方法，迫切强调在课堂中与老师的平等关系，希望自己也能成为课堂的“主体”：基于教学目标、教学方法、教学内容等，在教学资源的辅助下，主动与老师、同学进行“流”的交换，不断改进自身行为，提高自身素质。这样，一方面可以促进学生的发展，另一方面教师根据学生的反馈不断调整教学目标、教学内容、教学方法等，提高教学效果。所谓主体性教学方法就是教师在课堂中能充分调动学生的自我认同感，积极性和创造性，同时深入发掘潜在于他们自身中以及环境中的能激发其自我认同感、积极性和创造性的因素，有效促进教学目标的实现。基于CAS理论在大学课堂中实施主体性教学方法可以从以下两方面着手。

（1）强调课堂教学是实体和关系的集合体。课堂教学中存在着众多的相互作用和反馈，很难也不可能被统一在恒定的规律之下，刻意把动态多变的课堂教学情景还原成包含几条简单而抽象的命题或原则的教学原理是远远不够的。如果仅仅把课堂教学看成纯实体的集合体，看不到其中的复杂关系与非线性作用，就很容易忽视主体在教育中的能动作用，进而将课堂教学过程视为一个犹如机器装配的技术操作过程[4]。大学课堂教学如果没有融入学生与教师的兴趣、交往、情感、表达、参与、合作等活动，而仅仅是教师讲、学生听的局面，教学就会沦为危险的活动，贻误学生的发展。

（2）强调课堂教学中良好的师生关系。首先，老师要放弃传统的权威，改变通过课堂教学控制学生的想法，采取开放的态度，与学生对话，构建和谐的师生关系。这种对话不是简单的谈话，而是基于主体参与的教学实践，充分体现主体之间的能动性与创造性，由原来单向传递的过程转为对话、生成的过程。其次，师生之间应该以开放的姿态进行交往。面对师生之间存在的差异和距离，采取开放的态度，让大学生有更多的参与、自主和话语的空间，使大学生拥有“对话的位置”，激活师生之间的对话，形成一种交互作用。再次，构建趋向和谐的师生关系。教师与学生既有其各自的独立性与自主性，又有主体间的依赖性；教师与学生在相互交往中既传达各自的认知、情感、态度与价值观，形成具有个性化的自我，又在互动中形成共识，体现一种教学民主性，师生之间涌现出一种既有个性又有共性的关系，相互融洽、交流分享[15]。

如果希望学生日后有能力预见变更，并通过终身不断的学习来适应变更的话，那么在现代社会里就越来越需要教育为培养个人的判断力和责任感做出贡献。在大学课堂上与老师一起讨论和对话，有助于学生发展自己的批判意识[16]。

6 适应性主体的刺激——反应模型

CAS理论的核心是主体的适应性造就系统的复杂性，因而研究主体的适应性不可或缺。所谓适应性是强调主体与环境的交互作用，把其它主体也看作环境的一部分，认为主体与环境的相互影响、相互作用，是系统演变和进化的主要动力。个体并非指孤立的、单独的个体。如果这样，我们就又回到还原论的观点去了。在微观层面，CAS理论研究个体适应性较为常见的方法是构建适应性主体的刺激——反应模型[17]。本文主要是基于CAS理论研究大学课堂教学系统中主体的刺激——反应模型。

Holland认为系统中主体在与环境的交互作用中遵循一般的“刺激——反应”模型，描绘主体对环境的适应性规则。模型由探测器、IF-THEN规则集合、效应器三部分组成。探测器代表主体从环境中获取信息的能力，它决定了主体感知外部环境变化的能力。IF-THEN规则代表了处理探测器所抽取到信息的能力，这些规则以“染色体”的方式存在于主体内部，基于一定的条件下被选中，如IF（信号灯是红色），THEN（不能过马路）。主体不断的从外界感知并接受刺激，根据经验做出反应。效应器代表了主体的应对策略，直接作用于外部环境，不同的反应规则对外部环境的影响能力不同。主体的适应性体现在它与外部环境的交互中，就是遵循刺激——反应模型[17]。其中，刺激是主体对环境信息的感知，反应是主体对刺激的响应，IF-THEN规则是刺激到反应的映射。

由于大学生和教师的家庭背景、成长环境、社会经历、性格等不一样，决定了他们在课堂上遇见刺激时，根据自身IF-THEN规则所做出的反应是不一样的。当学生从环境中获取信息和刺激后，首先根据IF-THEN规则作出反应，如果这个反应得到了教师和其他同学的认可、适应了环境的发展，学生便会强化这个规则，即以后再接收到相同或类似的刺激后，主体只需要做出与这次一样的反应。而当这个反应没有获得老师和其他同学的赞同、不能适应环境的发展，他将对这个规则进行调整，直至老师和其他同学及环境接受为止，如图1所示。以大学生课堂分组讨论为例，教师给出讨论题目，学生感知到题目信息（刺激），将这个信息与自身已有的知识存量进行匹配（IF-THEN规则）并得出结论（反应）；接着学生在小组内阐述自己的观点，与其他同学进行知识的交互，不断地从其他同学处汲取知识，积累经验，在此基础上，对自身得出的结论进行修改，完善对知识的建构，即同化，以促进自身发展；最后在小组阐述阶段，教师探知学生的结论，提取有用信息，完善自己的结论，并对学生的结论做出点评，促使学生不断完善自己的结论。最后根据学生的反馈，教师调整课程的教学内容、教学方法等。这反映了大学课堂教学的刺激——反应——检查结果——修改规则，如图1所示。

7 大学课堂回声模型

CAS包括微观和宏观两个层面。本部分在前一部分分析微观个体层面刺激——反应模型的基础上，研究宏观层次的回声模型。回声模型是基于个体演化过程，结合“资源”和“位置”的概念，展示了个体的互动演化涌现出系统演化的过程，如系统中新的层次的出现、新的聚合而成的更大主体的出现等[18]。一个最基本的回声模型是：整个系统包括若干个位置，每个位置包括若干个主体和主体的资源库，主体之间不断的进行资源和信息的交互。在这个模型中，主体具有三个基本的部分：进攻标志、防御标志和资源库。进攻标志用于主体主动与其他主体联系和接触，防御标志用于其他主体与自己联系时决定是否应答，资源库用于存储和加工资源。主体既可以从当前所在位置获取资源，也可以从当前所在位置的其他主体交互过程中获取资源。主体具有寻找需要交换资源的其他主体，与其进行资源交换、保存及加工资源的能力[19]，如图2所示。

在大学课堂教学系统中，教师与学生、学生与学生之间的位置不是一样的。尽管他们所处的位置不一样，但是每一个主体都有自己的进攻标志、防御标志和资源库。如在课堂教学中，学生遇到自己不明白的知识点，要想解惑有两种方式：一是课后自己查阅相关资料解决问题；二是向同学或老师求教。由于第一种方式不属于复杂自适应系统的范畴，所以在此仅考虑第二种情况。学生S1在课堂教学中遇到问题，由于主体具有能动性，

他希望寻找到答案。学生S1首先通过刺激——反应模型确定自己无法解决这个问题，因而只能向他人寻求帮助。接着学生S1会在自己的资源库中搜寻，到底在周围的环境中谁可能会解答这个问题，据此锁定目标：学生Si（i=2，3……，n）和教师。在此基础上，学生S1主动地向学生Si或教师提出问题，这是学生S1的进攻标志。学生Si或教师在接收到刺激后，根据自身的规则作出反应：解答与否。如果学生Si或教师的交换条件与学生S1的进攻标志正好匹配，即学生Si或教师正好知道学生S1所提问题的答案，则学生Si或教师会给出答案，反之亦然。这是学生Si或教师的防御标志。如果学生Si或教师解决了这个问题，则学生S1会形成这样一个规则：IF（这门课程再遇到难题），THEN（向学生Si或教师寻求答案）。由于大学课堂也是一个小社会，学生S1周围的同学也会形成类似S1同样的规则，即感染效应，这一行为导致学生Si或类似于学生Si的同学从整个班级中分化出来，从而提高课堂教学效果，促进系统的发展。

8 基于CAS理论的大学课堂教学方式：团队适应性竞争

CAS理论认为：①作为系统构成的基本元素——适应性主体，能够在与环境及其它主体的交互作用中不断学习，并根据学习到的经验改变自身结构和行为方式，以便更好地在环境中生存，而在主体与环境的交互作用中，整个系统不断演变和进化；②合作与竞争是系统中各主体之间呈现的关系，是主体间相互作用的表现形式，合作与竞争的和谐并存是复杂系统的本质，更是其演化的主要动力[20]。基于CAS，本文提出新的大学课堂教学方式——团队适应性竞争。它指在把握学生是课堂主体的原则下，教师创设教学情境，按照一定的规则将学生分为不同的团队，同时确保各个团队之间实力均衡，鼓励学生为了共同的目标开展团队内合作、团队间良性竞争，最后根据评价标准对各团队的成果进行评价，并对表现优异的团队给予奖励。团队适应性竞争教学方式充分考虑了“他组织”与“自组织”，较好地利用了合作与竞争两种关系，通过学生之间的交互促进学生、教师发展，进而促进整个系统的发展。

本文以中南民族大学2006级保险专业的学生《风险管理》课程的课堂教学为例，分析如何实施团队适应性竞争教学方法。该课程的课堂教学是分阶段实施的。

（1）创设情境（团队情境与竞争情境）。在学期开始，将班级学生按照自愿加老师安排的原则分为不同小组，同时确保组内异质 （即包含各种水平的学生）、组间同质 （即各组的水平分布大致相同）。老师再根据《风险管理》课程大纲要求，安排好每个小组课堂教学主题及重点内容，以便组间通过探究问题进行竞争，同时确保各个小组课堂教学主题具体角度存在差异、难度相当、评定依据公平、组间交流时能达到双赢。

（2）在刺激机制下适应性竞争。教师说明竞争操作，建立刺激机制。每个小组根据小组成员的特点和专长以自组织的方式进行分工协作，比如：查找资料、整理案例、撰写案例分析、制作PPT、讲解等。为刺激组内交流合作和组间竞争，展示成果的组内代表由小组成员讨论产生，代表确定后其成果水平即代表该组。然后，组内展开问题探究，组内各学生共同探讨问题解决的各疑惑点；组间竞争探究情况，竞争探究激情，竞争探究成果，如果小组成员回答不上的问题，台下同学均可以补充回答；教师从中充当教练角色，了解小组讲解情况，给予提示和启发。待小组讲述完毕后，教师进行适当的补充、深入讲解和点评。在此基础上，对本堂课的重点内容进行归纳总结。

（3）评定竞争结果，促进交流的双赢。为了客观的评价每个小组的讲述情况，本课程遵循了第四代教育评价“共同构建”、“全面参与”的评价思想，评价分为三个方面：一是小组成员的自我评价。通过对自己小组成员课堂教学过程的分析与反思得出教学效果的自我评价，并写出总结报告；二是课堂上其他小组学生对该小组成员讲述的内容及其表现进行评价；三是老师评价。对三方面的评价进行加权计算得出每个小组的综合得分值，待课程结束时，对表现优异的小组进行嘉奖。

在整个课程的课堂教学中，老师只规定了讲述主题、内容和评价规则，充当了教练和场景布置者的角色，为学生的表演提供舞台，小组成员则成为舞台上的演员。对于小组成员以何种方式讲述主题和内容，老师不做规定也没法规定，小组成员可以采用多种方式组织课堂教学过程，其他同学和老师则成为重要的参与者。小组成员以哪种方式和他们互动以及互动后的结果在上课之前是无法预料的。不过可以肯定的是，通过小组成员台上的精彩讲解、台下学生的提问、小组成员的回答（无论是有准备还是无准备）以及老师最后的点评和总结归纳，大部分学生能够从中受益，小组成员通过精心准备讲解内容，在查阅资料、归纳总结、撰写案例的过程中加深了对概念的理解，提升了信息搜寻能力，增强了分工协作的团队精神；台下同学通过提问，激发了自身的主动性和积极性，也加深了对某些问题和概念的理解；老师则通过实际参与小组成员和台下同学们的互动，灵活调整讲解内容，寻找情境化的教学意义[13]。经过一个学期的实施，2006级保险专业的学生们对《风险管理》课程的兴趣提高了，所提问题的数量和质量也明显好于往届学生，最后的考试成绩也普遍比往届高了，课程的教学效果明显增强了[21]。

9 结语

本文基于CAS理论对大学课堂教学进行了探讨，但本文的研究尚存在不足之处：①Holland教授通过为主体赋予执行系统、信用分派和规则发现机制，构建了具有主动性的主体基本行为模型。本文只是简单探讨了大学课堂教学的执行系统：刺激——反应模型，对另外两个行为没有涉及。②Holland教授提出了著名的回声模型。回声模型将主体与环境相互作用的各种形式进行了分析，进而提出了层层递进的6个模型：进攻、防御和资源；条件交换；资源变换；粘着；选择性交配；条件复制。但是本文只分析了大学课堂教学的进攻、防御和资源，对其他五个模型没有涉及。同时，如何基于CAS理论，构建研究大学课堂教学的理论分析框架，对大学课堂教学复杂性的根源、动力机制、控制参数、演化的图景等问题的深入研究，也是下一步的努力方向。

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Abstract： This paper points out that university classroom's teaching is CAS from four properties and three mechanisms of CAS theory firstly. Secondly this paper analyses how to carry on the method of subjective education in the classroom. Thirdly this paper describes S-R model and university classroom ECHO model of adaptive agent. Lastly this paper puts forward university classroom's teaching method based on CAS theory-team adaptive competition， then takes the course risk management for example.

Key words： university classroom's teaching； agent； adaptability； complexity； CAS