系統思考在化學教育上的應用 / 趙奕姼

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系統思考在化學教育上的應用

趙奕姼

中央研究院化學所(兼任研究員)
[email protected]

 

n  前言

大家自小都聽過「食物鏈」這個名詞,知道大自然是一個環環相扣的綿密網絡,但是知道複雜系統網絡的存在,不等同具備能夠沙盤推演其動態發展的分析/整合能力。因著絕大部分的人沒有這樣的推演能力,近代人類無意識地放任食物鏈與生物多樣性的崩壞,直到人類本身的生活受到威脅。目前人類有諸多全球性的危機需要處理,從氣候變遷問題的紓解到社會政治體系的運作,無一不受制於人民普遍缺乏看見全局以及沙盤推演的能力。另一方面,被寄予厚望創造人類美好生活的科技發展,常常伴隨著「新的解方帶來棘手問題」的困境,表示科學家或是工程師,不能置外於大自然或是人文社會體系,僅思考局部的科學問題、而不看到更大的面向。我們需要慎思明辨、有分析整合能力、看到全局的國民素養。「系統思考(Systems Thinking)」著重於分析系統成份、成份間的相互動態,並整合性地瞭解系統功能,或是系統與系統間的連動,正是建立此種素養的工具,可以消除專業分工下盛行的「見樹不見林」或是「頭痛醫頭、腳痛醫腳」的沈痾,讓人類可以更好地迎向各類挑戰。

在組織改造的書籍以及108課綱中,都可以看到系統思考的身影。事實上,在化學教育上系統思考更是重要的一環,因為在聯合國17項發展目標(Sustainable Development Goals)或是9大地球限度(Planetary Boundaries)點出的許多複雜系統中,化學都扮演了關鍵的角色。近年來備受重視的綠色/永續化學,或是產品生命週期分析,本質上都屬於系統思考的範疇。20152016年四位跨國的學者在期刊Nature Chemistry以「The Role of Chemistry in Inventing a Sustainable Future」以及「One-World Chemistry and Systems Thinking」為題,疾呼化學和系統思考在永續方面的重要性(Matlin et al., 2015; Matlin et al., 2016)。2017年開始,來自各方的學界志工們在IUPAC推出計畫,展開將系統思考融入化學教育的努力,並於201912月在期刊Journal of Chemical Education發表專刊「Reimagining Chemistry Education: Systems Thinking, and Green and Sustainable Chemistry」(Mahaffy et al., 2019)。當2021年化學會希望將系統思考推廣至臺灣化學界時,因化學會教育委員會主委邱美虹教授長期在IUPAC付出,化學會有幸邀請到IUPAC計畫主持人Peter Mahaffy教授以及他的合作夥伴Seamus Delaney博士於2022115日以及212日在線上主持「以系統思考串起化學教育與永續議題」工作坊,與會者皆受惠良多,本次撰寫專題文章的幾位臺灣教師,都是該工作坊的學員。老師們在百忙之中對於本次專題文章用心付出,他們閱讀的文獻與提供的內容,皆超越了工作坊的範疇,做了不同的應用,或是更深入抑或更廣泛的探討,令人十分感佩!

n  本期專題文章簡介

    邱美虹教授在本期第一篇文章「系統思考在化學教育上的挑戰與契機」中,對於系統思考的歷史、定義、內容做了簡短並適合化學領域的入門介紹,並揭示目前教育現場以及地球環境的現狀與挑戰。此篇藉著許多國內外實例來說明這些挑戰可以帶來的契機與多面向的影響力,例如提升師生的素養、促進跨領域學習,以及提高對於永續發展的使命感等。這些實例相信可以引發教師們設計與分享更多的課程。

    系統思考可以協助我們看得更全面更有脈絡,應該也適合形成知識地圖?的確,鄭原忠教授在「利用系統思考建立物理化學知識架構之探討」這篇文章中,嘗試突破傳統線性的物理化學知識架構,利用系統思考工具SOCMESystem-Oriented Concept Map Extension),從「燃燒化石燃料」的系統成份作為出發點,發展出統整熱力學第一定律的知識概念圖,相信會讓學生的學習更有感,不會迷失在公式中不知與現實的連結為何。

    系統思考需要多元觀點,因此常常需要課堂上的互動。劉沂欣教授與馮寬文博士的文章「借鏡新加坡經驗促進化學高等教育變革」可以回應許多教師的需求,引導學生在心安的環境下,朝學習社群與主動學習的方向前進。文章中並提出「基於案例的學習」、「系統思考」、「自我調節學習」等方式,來培養學生的批判性思考以及做明智決定的能力。

    對於永續/綠色化學在高中端的教授與實驗研發一直不遺餘力的周芳妃博士,參加系統思考工作坊獲知更多資源之後,讓學生探索並翻譯IUPACConnect Chemistry to Sustainability網站(https://iupac.org/connect-chemistry-to-sustainability)。此網站連結地球限度9大面向(如臭氧破洞、氣候變遷)與化學學習主題(動力學、熱化學、分子結構),學生的學習心得可見於文章中,供教師們參考。

    任教於美國北疆先鋒學院的汪俊宏教授經過系統思考工作坊的洗禮,開始思考如何在化學課程中融入在地環境與文化的元素,讓化學更貼近學生。「導入系統思考的普化課提高美洲原住民學生學習意願」這篇文章,紀錄了他對於課程的嘗試以及學生的轉變。雖然實施的時間還不長,但是學生已表達系統思考確實提升學習意願,也有學生表示對於未來的學習方向更有感覺。

n  結語

    二十一世紀的今天,世界複雜多變充滿不確定性,且變化的速度越來越快,脫韁野馬亦不足以形容。曾經聽過一場演講,講者說未來世代需要有面對複雜系統的耐受力與評估力,而非因形勢複雜而思考馬上斷線,誠哉斯言!教育需培養新生代具備系統思考的能力,已是必然的趨勢。如果科學家、工程師、企業人士、政府官員有系統思考、產品生命週期分析的能力,我們會選擇跳過早期的光分解塑膠解決方案這類方案在塑料中加入感光性的添加物,讓塑膠碎片化散佈在環境中,不易回收也不易進行生物分解;我們不會在生物可分解聚乳酸塑膠還沒有成熟的回收與分解機制時,就鼓勵廠商產製聚乳酸產品,使用後混入一般塑膠回收系統,造成其他材質塑膠回收再製的困難;我們在發展新型人造纖維紡織品的時候,一開始就會關注清洗時是否太過容易產生微塑膠,以及是否可以發展回收再製的技術。簡而言之,如果擁有系統思考的素養,我們可以減少無效的嘗試以及浪費的時間與金錢;少一點喟嘆被破壞的環境,多一點欣喜於科學的成就。

    以一門創造與改變物質的科學而言,系統思考、綠色/永續化學、產品生命週期分析這類議題,對於化學系的學生而言是必要的。當線上學習的資源越來越充分,課程內容教不完是假議題,培養學生的學習習慣與思辨能力是真議題、讓學生看到知識地圖是真議題,尤其生成式人工智慧的興起,雖然一部分優秀的學生將如虎添翼,但是許多的學生由於應付作業的資源唾手可得,缺乏練習與思考的結果是學習成效將更薄弱與膚淺。學生需要教師的引導,而教師的增能需要夥伴。系統思考融入化學教學在國內外都屬於正在起步的階段,有許多彼此學習或是共創的需求與空間,期待未來有更多的教師願意一起參與,本期專題正是一個起點。

n  參考文獻

Matlin, S., Mehta, G., Hopf, H., & Krief, A.(2015). The role of chemistry in inventing a sustainable future. Nature Chemistry, 7, 941-943. https://doi.org/10.1038/nchem.2389

Matlin, S. A., Mehta, G., Hopf, H., & Krief, A. (2016). One-world chemistry and systems thinking. Nature Chemistry, 8, 393−398. https://doi.org/10.1038/nchem.2498

Mahaffy, P. G., Ho, F. M., Haack, J. A., & Brush, E. J. (2019). Can chemistry be a central science without systems thinking, 96(12), 2679-3044. https://doi.org/10.1021/acs.jchemed.9b00991 

系統思考在化學教育上的挑戰與契機:「見樹又見林」取向的化學教育 / 邱美虹

星期二 , 12, 12 月 2023 在〈系統思考在化學教育上的挑戰與契機:「見樹又見林」取向的化學教育 / 邱美虹〉中留言功能已關閉

系統思考在化學教育上的挑戰與契機:「見樹又見林」取向的化學教育

邱美虹

國立臺灣師範大學(名譽教授)

[email protected]

 

n   前言

烏卡(VUCA)時代的來臨,使得全球、地區、國家、社會以至於到個人都必須要正視VUCA帶來的意義與衝擊,而何謂VUCA呢?所謂VUCAVolatility(易變性)、Uncertainty(不確定性)、Complexity(複雜性)、Ambiguity(模糊性)的縮寫,早期是軍事上用語,如今面對各種變化瞬息的極端氣候、糧食短缺、健康與醫療等問題,正與VUCA的觀點不謀而合,充滿未知與不穩定性。根據2023年世界經濟論壇(World Economic Forum, 2023)對來自全世界27個業界團體和45個經濟體的803個公司所做的調查顯示,未來就業需要的人才分析和創造力分別排名第一和第二,而與永續和環境相關的工作在100個快速成長的職業中排名第七,這些變化的訊息在教育上如何透過不同的思考、策略與作法,而讓下一代能具備應有的能力與態度來面對VUCA時代的到來,是本文作者擬透過對系統思考的討論提出一點建議。

n  系統思考

系統思考(Systems thinking)並不是一個新概念,在企業界早已使用這樣的概念對組織進行強化與改造(如Senge, 1990),但是在化學教育上受到積極的推動與重視,可能是約近10年的事(如Holme, 2020; Matlin et al., 2016; Mahaffy et al., 2018)。2019年美國化學會的化學教育(Journal of Chemical Education)期刊,還以系統思考為專刊主題刊登相關論文,積極推動系統思考在化學教育上的應用,以彰顯其未來影響化學教學與學習的潛力。

何謂系統思考呢?不同學者對系統思考有不同的定義,最早被記載系統思考一詞的是物理學家Philipp Frank1938年出版的一本名為「Interpretations and
Misinterpretations of Modern Physics
」書中使用的Cabrera, 2021),在書中Frank認為整體論(holism)、系統思考或是完形概念(gestalt conception)都是模擬兩可的,但物理學卻受到系統思考和系統理論影響甚鉅。不過Cabrera特別指出,雖然Frank這位物理學家提出系統思考一詞,但並不意味他是第一位深入討論系統思考的學者,且CabreraGoogle記載「系統思考」由該領域大師Jay Forrester所命名的陳述頗不以為然。姑且不論誰先提出系統思考一詞,根據文獻顯示,系統思考有多種定義,譬如Meadows2008)認為系統思考包含三個要素,分別是目的(或功能/目標)、系統思考的特徵要素,以及特徵間的相互關係。Jaradat等人(2014, 2015)分析超過1000篇與系統有關的文獻後指出,所有複雜系統,不論是自然系統或是人造系統,在不同程度上皆表現出七種屬性:關聯性(interconnectivity)、整合性(integration)、演化的發展(evolutionary development)、突現(emergence)、複雜性(complexity)、不確定性(uncertainty)和模糊性(ambiguity)。Chiu等人2019)則提出系統思考包含(1)系統結構、(2)複雜行為、(3)不同尺度的系統、和(4)將化學與社會和科技結合。國際純粹暨應用化學聯合會(International Union of Pure and Applied Chemistry, IUPAC)的系統思考專案(計畫名稱:Systems Thinking in Chemistry for SustainabilityToward 2030 and BeyondSTCE 2030+ Project)指出(Szozda et al., 2023),一個系統至少要擁有三個關鍵特質:1. 成分或組成(components/parts),2. 成分之間的相互關係(interconnections between the components), 3. 一個目的(purpose)(e.g., Mahaffy et al., 2018; Matlin et al., 2016)。系統思考是將系統視為一個整體而不是部分之和,它包含分析和具整體性的思考,同時系統思考應該也要納入與社會/環境的互動以及地球限度。Orgill團隊則認為系統思考可以視為是一種視角或是一種工具用以分析和對化學現象的理解,它包含五個特質:1. 視系統為一個整體;2. 成分之間的關係;3. 因果變因;4. 行為;5. 與環境的互動(Orgill et al., 2019; York & Orgill, 2020)。Mehren等人(2018)則提出系統思考生態模型,將系統思考分成三個維度,分別是1.系統組織(含系統結構和系統侷限)、2.系統行為(含系統突現、系統互動、系統動態)以及3.系統行動(含系統預測後果和系統調節),考量個人、地區和全球的面向以及與環境和人類系統的關係。ArnoldWade2015)認為系統思考包含三個元素:可以被理解的目的(purpose)、系統的組成(elements)、和系統的組成元素之間的關係(interconnections)。以上種種定義,似乎都脫離不了成分、關係和整體的系統交互作用的關係見表1,有些涵蓋的範疇則更加寬廣涉及人類生活圈與環境之間的互動與影響。若以化學教育的觀點出發,系統思考指的是在動態又複雜的系統中,去瞭解各成份之間的相互關係和與其他系統(包括環境和社會系統)之間的互動所做的思考活動。換言之,系統思考是以整體的角度去看待一個複雜與動態的現象,從單一的變因到多重變因,從簡單關係到複雜關係,再統整各變因與關係到形成系統,甚至進階到系統之間的互動(包括環境與社會),而不是以破碎零散的知識或是以化約的角度去看待世界。綜觀以上的討論,顯見研究者對系統思考在不同領域的應用時,會有不同的取向,同時藉由系統思考的心智活動可以延伸至課程與活動設計,甚至是專業素養的提升,在在顯示在未來日益複雜的全球環境中,系統思考將更加倍受重視。

1  不同學者對系統思考的定義一覽表

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系統思考常被誤以為是系統性思考(systematic thinking),其實前者強調複雜和動態系統中各成份之間整體性的交互作用與相互影響下所產生的效應,因此常以圖示法的質性方式呈現,而後者指的是在問題解決或是做決策時,以有邏輯的思考方式進行之,它未必僅是針對複雜系統而言,可以是簡單的問題或是複雜性問題皆可採此種思考方式來處理,因此較常以量化或程序性的方式來呈現其邏輯性的思考模式。

從上述系統思考的定義可以衍伸出系統思考的能力。以下是幾位學者對系統思考能力的觀點。

Ben-Zvi AssarafOrion2005)認為系統思考的能力包括:1.能夠辨識系統的組成部分和過程;2. 能夠辨識系統內部和系統組成部分之間的動態關係;3.能夠為系統組織一個關係框架;4.能夠理解許多系統在本質上是迴圈的;5.能夠概括系統的結果;6.能夠理解系統可能有隱藏的維度;7.能夠使用系統視角進行時間性思考(包括回顧和預測)。PazicniFlynn2019)則將系統思考的能力分為三個層次8個能力,分別是層次一:分析系統的成分(1.確認一個系統中的成分和過程),層次二:彙整系統的成分(2.確認成分間的關係、3.確認系統中的動態關係、4.在關係架構中組織系統中的成分和關係、5.瞭解系統循環的本質),層次三:實踐技能(6.推論、7.理解系統隱藏的向度、8.時間思維:反思和預測)。Talanquer2019)指出,化學教育應培養學生化學系統思考的特質:1. 學生必須要能用基於各種化學機制的推理(mechanistic reasoning)去解釋化學現象,2. 學生必須在情境中去學化學內容,3. 學生必須要能用他們的化學知識去做決定或採取行動來支持地球的永續。此種有關從知識到付諸於行動的觀點則與BestHolms對系統思考所提的「knowledge to action」有異曲同工之效。Mambrey等人2020)則認為系統思考者需要具備三種技能:(1)描述系統的組織結構;(2)分析系統的行為;(3)建立系統模型。

而本文作者認為培養系統思考素養應要能掌握三項基本要素即可掌握主要的精神:(1)能夠確認系統的組成成分(也是最基本的能力),(2)瞭解成分的行為或功能,即各成分之間彼此的關係(因果、突現、動態),(3)確認子關係如何相互影響而形成大系統,並能將其應用於問題解決和社會性科學議題(Socio-Scientific Issue, SSI)情境中進而採取行動。這些能力無外乎是強調學生應具備確認系統的組成成分為何(基本能力),瞭解他們的行為與功能是什麼,認識彼此的關係如何建立(中階能力),進而確認這些關係又是如何交互影響形成系統,並且能運用科學知識於社會和環境科學問題的理解與連結,並採取適當的行動(高階能力),以達到永續地球的目的。

n  現況與挑戰一:教學目標

中學和大學化學教學的困境,在於過度強調學科知識與理論推導,重記憶輕推理和應用,教學內容與生活脫節。以大學普化課為例,這是許多科系需要學習的課程,但是這門課的設計似乎只為服務少數的學生(不是指開課班級數量,而是真正受益的學生)和科系,為進階學術人才培育做準備。也就是說,教學僅是為部分未來擬繼續升學的學生而設計(Holme, 2020; Mahaffy et al., 2018)。中學則是受制於升學主義掛帥,使得教學僵化缺少彈性,對教師而言,教學上的挑戰較少;對學生而言,學習成為片段知識的堆積,缺乏思考推理與突破框架的機會,甚至降低學習化學的興趣與動機。近年來受108課綱探究與實作課程的影響,教學逐漸轉向以學生為中心的教學,同時也提供學生得以經歷科學探究的過程,然仍有許多學校還在摸索與觀望之中,無法切實掌握探究教學的真諦與目標。化學是一門統整性的學科,從原子層次到分子層次的概念理解,再到生活應用與促進永續發展,它是一門可以進行跨科與跨域統整的學科,但是學校化學教育目標並未以利用化學知識去理解科學現象的運作方式,以及缺乏以運用系統思考的方式將化學知識與技能連結到社會性科學議題中去瞭解複雜現象的多重關係列為重要方針,以致在人才培育的過程中,化學不再是啟發思考且值得追尋與探索的學科。

n  現況與挑戰二:課程與教師準備度

根據文獻顯示,國外(尤其是美國和德國)的大學、中學和小學皆有系統思考課程與評量,然臺灣較少。Chiu等人(2019)分析臺灣、以色列和荷蘭的教科書發現,臺灣雖然在108課綱提到系統思考,但觀其內容,似乎指的是系統性思考,而非本文所討論的系統思考,且尚缺乏系統思考取向之具體內容與教材。以色列則是透過小組討論和實驗,進行生質柴油的引介,同時要求學生討論生產生質柴油的價格、環境行為、生產方法和社會影響、以及哪種技術在永續發展方面最有潛力。荷蘭化學課程與大學入學考試試題,則會朝向與日常生活相連結為設計評量試題的內容。譬如生態系統中,如何從乙醯丙酸Levulinic acid)製造聚己內酯,其中包括98%濃硫酸的計算、原子效率、蒸餾如何分離物質以及綠色化學的12原則等概念的試題,同時還要求學生解釋為何製造聚己內酯的過程不能稱為綠色化學呢?如何透過適當的引導教學與評量,讓學生可以將化學知識應用在問題解決與創新成品並進而促進永續是化學教學要面對的問題,而系統思考似乎可以提供一個高層次認知思考的機會。

但是要實施系統思考教學,教師不僅需要具備學科知識(content),瞭解一個系統中各成分的關係和其行為所造成的科學現象,並從微觀機制去解釋巨觀現象以及對環境所造成的影響,還須具備教學知識(pedagogical knowledge),對課程目標與教學策略有所認識,再以有效融合學科知識(化學)和教學知識與策略(如學生為中心的系統思考活動、採小組討論或戶外調查等)及瞭解學生對系統思考的背景知識與起點,而形成「學科教學知識(Pedagogical Content Knowledge, PCK)」,方能提升學生系統思考的能力,這才是所謂的系統思考的學科教學知識。簡而言之,不是化學知識加上系統思考的教學策略就是系統思考的教學法(這是混合物的概念),而是需要將化學學科知識(content)與系統思考的教學理念與策略融入於科學問題情境(context)中,並考慮教學資源與學生背景,彼此交融產生的系統思考教學法才是屬於教學學科知識取向的化學教學(打個比方就是化合物產生新物質的概念)。

高等教育並未對教師提出具備教學能力的要求與訓練,對於教師專業成長較少提供教學資源或是以學生為中心的教學策略,對於提供創新教學的核心思想與做法相對而言更是欠缺。而大學教授對於發表論文的壓力恐怕比提升教學品質並與時俱進要更加來得大,願意進行教學研究改善教與學的環境與品質者更是寥寥無幾。而高中教師受限於授課時數減少和教學內容過多,以及升學考試的壓力,很難在課程上引進以學生為中心的新教學法。因此要推動化學創意性的系統思考教學的確是具挑戰性。Rosenkränzera等人(2017)對一群德國職前教師進行系統思考的PCK教學發現,單純以在永續發展的背景下教授解決複雜且動態的問題(僅是學科內容取向)並無法提高職前教師進行系統思考的教學成效,反之,若能協助職前教師建構科學模型、進行系統思考的反思、評估系統模型的有效性和侷限性,這種在教學上融入系統思考,結合教學面和技術面的鷹架,則可以提升職前教師實施系統思考教學的能力。根據BudakCeyhan2023)針對科學教育研究中進行系統思考教學的27篇文章進行分析發現,以美國(n=9, 33%)和德國(n=4, 15%)發表的系統思考的文章最多,而研究的對象主要是中學生(n=15, 56%),其次是大學生(n=8, 30%),至於以教師為研究對象的僅有1篇(佔4%)。顯見研究者對於培養教師具有系統思考的專業成長所賦予的關注度甚低。良師興國,若教師的教學不能與時俱進,則學生所學習的範疇必將受限,而視野也必定無法打開。

國內不僅尚無適合的系統思考的課程供教師使用,教師對於系統思考的認識尚在啟蒙階段,整體發展仍有許多可以期待的!

n  現況與挑戰三:地球限度的警訊

根據Stockholm Resilience Center指出,地球限度(Planetary Boundaries)於2009年由Johan Rockström28位國際知名的科學家所提出來的架構(Rockström et al., 2009a; Rockström et al., 2009b),旨在說明要維持地球的和諧運作,九大面向是必須要面對的,這九項分別是氣候變遷、海洋酸化、大氣平流層臭氧的消耗(已減少5%)、生物地質化學循環中的氮循環和磷循環、全球淡水使用、土地用途的改變(無冰表面土地中作為耕地的面積<15%)、生物多樣性的損失、把新物質引入環境中(原為化學污染)、以及氣溶膠。

2015年發表在《科學》(Science)期刊的研究指出,維持地球系統運作的九大面向中,已經有四項超過地球可承載的臨界點(Steffen et al., 2015)。這四個項目分別是氣候變遷(全球暖化)、生物圈健全、土地用途改變、以及生物化學循環(例如:氮肥會產生一氧化氮加速溫室效應,磷肥流入地下水和河川造成優養化,使水中生物因缺氧而死亡。這些化學肥料的大量使用,造成氮元素與磷元素的有害循環)2023年則已有六個面向(增加新物質的引入與淡水改變)遭到破壞,人類若不再加速改進的腳步,將可能讓地球系統的運作造成不可逆的變化,則後果不堪其想(Richardson et al., 2023)。地球限度的九大主題在200920152023年的改變,如圖1所示。

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1:地球限度架構的演化

出處:Azote for Stockholm Resilience Centre, Stockholm University. Based on analysis in Richardson et al.2023, Steffen et al.2015, and Rockstrom et al.2009a & b.
Updated by
Johannes Ernstberger on September 13, 2023.https://stockholmuniversity.app.box.com/s/sr0nfknm95oydnnsm1zj0c526qzjn1vs/file/1305800269354

n  契機一:落實系統思考提升學生化學素養

個案一:系統思考課程設計與評量

Szozda等人(2023)針對評量學生系統思考提出以下五個特質11項技能的建議,分別是1. 系統具整體性(Systems as a whole),2. 內在連結性(Interconnections),3. 隨時間而變的行為(Behaviors over time),4. 突現行為(Emergent behaviors),5. 限度(Boundaries)。各向度下可以評測的技能如圖2所示。他們指出,教學必須確認所給予學生的任務是否與系統思考取向的教學目標一致,同時是否給予學生的任務需要達到這11項技能,教師應根據任務調整評量的項目,同時在教學中要能明確地(外顯)說明系統思考教學的目標以及預期達到的成效,教學中的提問和鷹架也應以能達到評量這些技能為目的。教師可透過概念圖、文字報告或是口頭報告等收集學生學習表現來評價教學成效。在他們針對大學生所做的溫室氣體活動中,經過前後測、教學和訪談發現,即使是大學生,他們的系統圖缺乏在微觀層次上的連結,尤其是循環和因果關係的連結和推理,同時缺乏描述人類與氣候變遷的關係。

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2   與系統思考五項特質相對應可評量的11項系統思考技能 (Szozda等人, 2023

個案二:系統思考課程解構與再建構

如前所述,系統思考的能力是要能瞭解和詮釋複雜問題與系統的組成成分和成分之間的關係所具備的能力,若從訊息處理理論的角度來看,如此複雜的高層次思考技能是否會超出學生的認知負荷呢?Pazicni Flynn2019)引用Mahaffy等人(2019)一文中所使用的全球暖化為例,說明學生的工作記憶(working memory, WM)是有限的,因此學習時的認知負荷(cognitive load)也是有限的,透過對科學現象明顯的界定(如系統的原理,包含成分、目的和系統的突現性質;和系統思考(動態關係和界線)來進行Zoom-inZoom-out,可以減輕學生學習時的認知負荷(見圖3)。本文作者稱這為解構和再建構科學系統(或現象),除有見樹又見林的功能外,也可以降低學生學習焦慮和減少認知負荷。

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3  二氧化碳氣體的生產及其在全球碳循環下的關鍵作用。Mahaffy等人(2019)以SOCME系統思維視覺化工具來呈現二氧化碳氣體的人為生產與相關聯的子系統,這些子系統和生物、化學、物理和數學等STEM本科課程的核心內容直接相關。若將其中一部分拉近來看,則可以看到每個系統的不同面向,減輕認知負荷。若拉遠來看,就可看到問題的全貌人為氣候變化、海洋相互作用、動植物生物群落、二氧化碳的工業利用以及人類減緩氣候變化的子系統。這種拉近/拉遠的教學策略,有助於學生透過解構和重構的過程更加瞭解系統思考的必要性(Mahaffy et al., 2019)。

個案三:系統思考教學工具

在個案二中提到使用SOCME軟體促進系統思考教學,本節就介紹如何用SOCME軟體建構系統概念(不論是碳循環或是氮循環等過程)。基本上,SOCME視覺化軟體通常是由數個小系統開始,尋找其關係後再逐漸組織成大系統,藉由SOCME將待解決的問題或擬學習的主題思考分解出其化學成分、化學反應或過程,再考慮新興科技如何可以處理待解決的問題,並將化學與地球和社會系統相互聯結。Matlin2020)以下方SOCME三步驟來說明科技對系統思考教學可以提出的助力,並說明如何從次系統和次系統間的互動中形成與人類相關的大系統來說明教學可以如何利用SOCME促進學生思考。以圖4為例,二氧化碳生物地球化學流的
SOCME
首先描述了核心子系統,說明人類活動產生的二氧化碳大大提高大氣中的二氧化碳氣體含量,再考慮二氧化碳的主要來源和相關化學反應。其次,增加考量海洋相互作用子系統,討論二氧化碳在水中溶解的狀況以及碳酸溶液的化學性質和對海洋生物圈的影響。進而再納入陸地子系統,討論各系統的互動對環境的影響,最後討論如何以科技減少或替代這些產生二氧化碳的活動,以及其會產生的後果;例如減少二氧化碳排放的替代能源策略,或在生產過程中回收與儲存二氧化碳的策略。在這樣一個大系統中,化學知識不再是死知識,而是對人類永續發展以及解決人類面對地各種生態、環境、醫學和極端氣候的挑戰,或可以提供解套的思路與做法。若對SOCME運用在氨和氮的轉化以促進農業和環境的永續發展有興趣的讀者,可參看Whalen等人(2022)一文。

clip_image016n  契機二 建立共備社群強化師資與課程

要培養學生的系統思考能力之前,可以先問教師是否擁有系統思考的能力?本文作者認為提升教師專業學科教學素養可採三步驟,首先,尋找對系統思考在化學教育上的應用有相同興趣的教師共同形成讀書會,先從閱讀文獻開始,瞭解系統思考的研究現況與發展,建立學習社群,共同成長;其次是嘗試透過閱讀與分享,開始設計系統思考的課程,確認系統思考的核心目標、實施對象的學科背景知識、選擇可能的主題、進行核心內容的解構與再建構、選擇適合的教學活動與策略、標定預期的學生學習表現等,待課程研發完成,則進一步開發可能的評量內容與方式,如採社會性議題的問題解決、小組討論、分組辯論、小論文撰寫、概念圖的繪製、資料分析與下結論等任務,體會系統思考教學與學習的真諦。最後,教師應該從小班級開始先預試教案和評量工具,透過觀察彼此系統思考的教學,可以相互學習並改善教學流程與素材。而所建立教師學習型社群的成員從共讀、共備到觀課議課的教師專業成長模式,在相互信任與開放心態的條件下,可以有效的促進彼此的交流與成長,這也符合SDG的第17個目標夥伴關係。

臺灣雖然在系統思考起步較晚,但是若能借鏡於他人的經驗和成果,開發適合本地學生學習的課程與教學法,仍可以為學生的學習提供創新的想法與改變學習方式的機會。目前在IUPAC等機構的支持下,加拿大的Mahaffy教授建立以氣候變遷為主的互動式網站https://kcvs.ca/details.html?cardName=explainingClimateChange),其所提供的教學和評量內容豐富,同時有教學可用的視覺化軟體呈現全球氣候變遷的變化,其研發的素材,可以提供中學和大學教學使用。

n  契機三 系統思考的跨領域與跨學科教學,提升對永續發展的使命感

以下介紹兩個結合系統思考於跨學科/跨領域的教學個案,提供參考。

個案一 小學生可以學習系統思考嗎?

答案是可以的。Ben-Zvi AssarafOrion2010)對以色列小學四年級的學生實施水循環的系統思考教學,教學方案包括模擬實驗室和實驗(合計30小時)並有3次戶外活動,在三次戶外教學中,學生分別要去瞭解水塔、儲水系統、汙水處理系統。這些課堂內和戶外的課程可以讓學生瞭解水循環系統的組成和關係。課程內容著重三點:(1)地球上的各個圈層(生物圈、地圈、大氣圈和水圈系統)之間存在著動態關係;(2)地球系統之間相互作用的影響來自於系統之間和系統內部傳遞的能量和物質生物地球化學迴圈;(3)永續發展具有保護環境的能力。研究結果顯示國小四年級學生們確能透過多重教學法去理解水循環系統的組成和過程。而這結果與國中生的實驗相似(Ben-Zvi Assaraf & Orion, 2005),換言之,即使是小學四年級的學生,也可以透過教學確認兩個成分之間的關係和形成的過程,這些系統思考的能力皆有助於國中和高中階段較為複雜的系統概念學習。

個案二 跨學科的系統思考與建模課程開發與其效益

美國新世代科學標準(Next Generation Science Standards, NGSS)強調領域核心概念(Disciplinary Core Concept, DCC)、跨科概念(Crosscutting Ideas, CCI)和科學與工程實踐(Science and Engineering Practice, SEP),其中跨科概念強調的是打破單一學科之間的疆界,而能以更高階層的概念來包容學科之間的相似性,如尺度、結構與功能、系統與系統模型等概念(李驥、邱美虹,2019)。這部分與108課綱強調跨科概念所包含的構造與功能、系統與尺度、改變與穩定、交互作用等有異曲同工之效,皆在強調知識的統整與連結。基於融入跨科概念與科學建模的重要,Chiu Zengin press)根據邱美虹(2016)所提出的科學建模的四個步驟(發展模型、精緻化模型、應用模型、重建模型)融入系統思考(Chiu et al., 2019)的架構中(圖5),為國中生設計戶外調查水質的活動,探討影響水質的因數。在戶外調查前,學生先進行SageModeler軟體的訓練,讓學生先建立自己的影響水質的假設模型,並引導學生思考以下的問題,活動的驅動問題是「為什麼基隆河裡的魚會在夏天突然死亡呢?」,接續提出相關問題,如1. 你如何決定基隆河的水質?2. 你需要知道那些影響因數嗎?你是否需要工具去測試呢?並追問(1)還有比這更方便的測量水質的方法嗎?(2)在城市規劃中,河流附近應該有哪些限制?用水生生物群的死亡來判斷水質是否合適?這些問題是因循Chiu等人(2019)之系統思考的架構所設計的(如圖6)。同時,也提供臺北市環境品質資訊網https://www.tldep.gov.taipei/EIACEP_EN/)的資源,讓學生尋找可能的影響因數,如溶氧量、生化需氧量、pH值、氨、大腸菌群數量、濁度、總磷含量和導電性,檢視自己所建立的科學模型是否正確,並和實際收集到的資料相互比對。雖然國中生可以檢測的變因有限(如pH值和導電性),但是學生透過探究與實作的活動,可以初步瞭解河水是一個複雜系統,他們的模型從簡單線性關係到網狀關係(環境、生態),並納入居住社區水質的反思,透過調查水質瞭解其所牽涉的概念彼此之間的關聯,以及其對環境與人類生活產生影響。

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n  結語

本文主要是透過探討系統思考的相關研究與教學的現況,提出幾點反思與建議,作為改進化學教育的參考方向。基本上有以下三點結論:

一、系統思考可視為學習的工具

系統思考強調科學現象本身是複雜的系統,為了避免學習是片段零碎的知識堆積,在科學學習時應重視知識的解構與再重構,見樹亦見林,將小概念確認後,找出關係,再找出關係之間的連結後形成大概念,也就是系統的概念,並進而與人類生活和環境等大系統相互連結。化學是一個整合性的學科,學習亦應朝向更高層次的認知理解與應用的層面邁進。

二、系統思考可視為教學與評量的工具

要培養學生具備系統思考的能力,從初階的確認系統的成分到中階尋找關係到高階建立系統觀、瞭解系統可能存在的潛在因子等等都需要教師的引導。因此教師在教案開發、課程設計與建立評量準則與工具都需要不斷的進行專業成長。尋找志同道合的夥伴一起建立學習社群可以讓教學改進的路走得更久與更遠。

三、系統思考可以提升對永續發展的認識

系統思考既然是跨出單一學科的範疇,與其他學科、社會和環境互動,所面對的是一個做為地球人更大的責任,那就是維護地球的永續發展。在地球限度將逐一超越其可容忍的限度之際,若學校教育不重視讓學生瞭解人類對地球系統所造成的傷害而有所警惕,下一代在未來將面對什麼樣的地球實在難以想像。

n  致謝

6中的照片是由國立臺灣師範大學曾茂仁準博士提供,在此致謝。

n  參考文獻

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系統思考在化學教育上的應用:借鏡新加坡經驗促進化學高等教育變革/ Fun Man Fung (馮寬文)、劉沂欣

星期一 , 11, 12 月 2023 在〈系統思考在化學教育上的應用:借鏡新加坡經驗促進化學高等教育變革/ Fun Man Fung (馮寬文)、劉沂欣〉中留言功能已關閉

系統思考在化學教育上的應用借鏡新加坡經驗促進化學高等教育變革

Fun Man Fung (馮寬文)1、劉沂欣2

1新加坡國立大學化學系、2國立臺灣師範大學化學系1
[email protected], 2[email protected]

 

n 

化學是研究物質世界相互碰撞、反應、變化與創造的科學,與人類生活及環境息息相關 。從19世紀對元素的探索、20世紀提出分子的合成,及當前光對物質的相互作用研究,從系統性宏觀的視野來看,化學是螺旋式發展同時跨越與連結眾多領域,以解決人類生活所面臨的問題,故常被視為中心科學。然而,中心科學重視「存在」而不是「佔據」,強調「功能性」而非只限於「組成性」,亦是當前化學教育欲核心發展的重要方向。其中,系統系思考(Systems ThinkingST對於從事化學、生物化學和分子生物學的教育人員尤其具重要意涵。系統系思考串聯學生對化學片斷式的理解,透過以全面性思考的邏輯來增強化學原理及概念的融通,分析與物理、生醫、工程和社會科學(例如法律、社會、行為、經濟及政治)各學科間的關聯,佐以實踐來貫穿應用層面的中心地位。

有鑑於此,大學化學科的教學方法迫切需要轉變,透過具有系統性、批判性思考的教學模式,引導學生解決目前在學習上面臨的挑戰。以大一學生至關重要的「普通化學」課程為例,即曾被批評以雜亂無章地講述一系列「彼此不相關的主題」Cooper, 2010)。單就學習內容而言,普通化學中各學門的基礎理論在內容及思維方式平行且獨立,導致以切割概念的主題方式做為教學大綱,又大部分內容與高中課程關聯性弱,迫使原先基礎能力落後的學生銜接不易進而造成學習成就落後,更可能因為學習孤獨感造成「大學經歷」不佳而無法與同儕溝通及合作。有鑑於未來學術界和工業界人材培育,唯有緊密結合化學教育、研究及實踐三要素,使學生理解化學並促進與其他跨領域學科例如:地球物理、生態和人類的相互融通,培養思考能力和工作技能,繼能面對未來人類與環境發展益漸複雜的永續議題.

化學做為科學的中心學科Brown & Eugene, 1977,本應以實踐「科學哲學Philosophy of Science)」的概念來促進對不同學科的接納及包容態度。以新加坡為例,1991 年成立國家科學技術委員會(NSTB)之時,同時啟動每五年為一期的國家技術計畫,即以科學、工程和技術共同推動經濟及企業轉型為首要任務。2025的計畫中特別強調研究、創新和企業Research Innovation EnterpriseRIE結合,以此改善人民生活並滿足世界永續之需求。202310 月筆者(作者二)邀請新加坡國立大學(NUS)化學系學者(作者一)來台訪問,並分享課程設計及各式教學研究的實施案例,有鑑於學習社群和系統思考對學生自主學習之重要性,本文撰寫之初衷欲分享新加坡以學生學習為主的教學模式,並透過永續發展和環境等議題導入系統性思考來輔助學生看到問題全貌,促進學生對事實、證據、觀察結果和論證分析的判斷,同時獲取正確知識與價值觀。本文將回顧部分教育的理論、趨勢及作法,並引用相關學習行為的理論做為參考。

n  學習社群:人和人的互動

有鑑於 COVID-19 大流行,世界各地的許多機構和大學在課堂上採取了社交安全隔離措施,迫使學校和大學進行居學習及課程數位化。但隨著社交距離逐漸解除、全球各校恢復實體課程的同時,部分課程仍保留實體加遠距教學之混合教學形式。教育數位化的確為教學的普及性及靈活性帶來巨大好處,然而學生與教師以及學生與學生互動降低,造成學生提問變少、反饋時間拉長、教師無法了解學生的非語言暗示及學生同儕間缺乏互動的機會 (Pang et al., 2023),都成為教學數位化面臨無法避免的挑戰之一。Yemen-Karpuzcu 等學者將學生間互動描述為「學習過程中重要的需求」,因為它提供個體的想法表達、揭示彼此的理解和學習想法的反思機會。如同話語社群Discourse Community中擁有共同價值觀所組成的一群人,以特定交流語言可以讓同儕真誠地分享想法並提高學生的成績,避免遠距課程中因喪失互動可能阻礙學習的可能性。

一、學習心理安全

學生​​學習社群Learning Community是課程學習的重要前提,因為它很大程度上影響著學習者的動機。根據 Garrison的探究社群Community of InquiryCoI框架(見 1Garrison et al., 1999,「探究社群」是連結學生和教師互動、共同參與促進批判性思考和深度學習的社群 (Fung & Kim, 2023) ,並透過發展個人學習認知、社交和教學的共同存在所形成的學習經驗。透過文獻及調查結果均表明,在與同儕討論之後,學生回答正確的百分比及對答案的信心幾乎都是增加Smith et al., 2009。而學生選擇不積極參加課堂討論,其主要原因是擔心受到同儕的評判」。

研究人員普遍認同Yep et al., 2023,當學生無法確認同儕及教師對其表現之評價時,可能會讓他們感覺到憂慮,其稱之為「與成就活動或成就結果直接相關的情緒」。另一方面,伯格斯特羅姆Tony Bergstrom認為,成績表現較佳的學生也不願參加課堂,主要是擔心因自我提高教師對群體的期望而被同儕疏遠Bergstrom et al., 2011。這個顛覆傳統教師的認知現象,例如公開讚揚即會讓成績表現較好的學生感到尷尬,進而削弱學生在討論過程中提出實質想法的能力及信心。這類型態的恐懼被稱為「焦慮和負面評價的恐懼Fear of Negative EvaluationFNE (Downing et al., 2020) ,學生因受到負面評價而感到不安,可能阻礙或抑制學生在處理、表達自己想法的能力,進而不參與課堂討論,甚至引發一系列的焦慮,造成學生在課堂討論中停滯不願意前進。為了克服因人而異的焦慮和負面評價的恐懼,鼓勵高階思維的發展,並透過討論促進主動學習,許多教師嘗試透過使用線上遊戲式答題器和Kahoot! 等學習型遊戲化來避免焦慮,並透過匿名鞏固心理安全來鼓勵學生參與討論(Pang et al., 2023)。從認知評估到情緒偵測,皆執行賦予心理安全感的做法。clip_image002

1:探究社群模式具體描述學生的教育體驗之溝通媒介,其中的三個具體組成要素及其互間的影響關鍵因子(Garrison et al., 1999

此外,新加坡國大化學系在實驗室後的活動使用Viva La Vida,加強學習者在實驗室技術演練、減低口試時的臨場緊張(Koh et al., 2021,讓學生有信心地聆聽並回答助教及教授的問題。NuPOV Nucleophile’s Point of View透過觸覺性的擴增實境技術Augmented RealityAR提高學生對共價鍵形成的空間視覺化能力,並手動與其進行互動以增進對有機化合物3D結構的理解及親核基加成反應的學習自主能力。QuizBot可自動在 Google 表單中建立測驗(Onget al., 2021,讓學生在多元學習的過程中,透過理解、詞彙、克漏字和迷宮等遊戲方式來回饋所學資訊。ChemPOVChemistry Point of View以牌卡方式(Fung et al., 2021,讓學生們以搶答方式完成化學反應式、再用選擇題的方式找出產物,幫助學生複習已知概念,結合認知、社交和教學共同存在的的學習經驗(Lim et al., 2017

二、互動軟體平台

使用社交互動平台例如:Facebook訊息、Line群組是教育工作者促進課堂外社交互動常用的方法。然而,實施這樣一個平台極有可能遇到許多挑戰,其中最大的挑戰是學生不願意公開參與表示意見。為提高學生在課程中的學習,一般常見以補充式教學(Supplementary InstructionSI)的協助模式,以公開且非同步地發佈學習資料(例如:Moodle)來提升課程的過課率和留課率。藉由和SI模型相似的啟發,「補充式話語Supplementary DiscourseSD)」是另一類以非同步方式來促進學生學習探究的線上社群方式,透過讓學生在線上彼此互動討論來促進學習社群的形成。新加坡國大化學系使用Discord 13 週內每週平均累積 86 條訊息,表示學生們不再害怕以匿名方式提問Kim et al., 2023

匿名安全感是一種普遍現象。研究過程中,學生認為如果他們能夠掩飾自己的真實身份,就更有機會參與課堂活動。透過使用線上單答題器或Kahoot!等應用程式不僅可實現匿名,並證明有助於減少學生的焦慮和提高課堂參與。針對393名學生以開放式問題的研究成果指出(Barr, 2017),以某種匿名的形式的確減少他們在同儕間對回答錯誤所造成的擔憂及對於教師的恐懼。他們在討論的參與度及課堂發言提高,意味著匿名的形式起了重要的關鍵作用。透過社交音訊 Clubhouse 亦獲得了部分匿名效果保持心理安全。參與者的調查回應表明Yep et al., 2023,部分匿名除了減少了他們的焦慮Cohen’s d = 0.58),並略微提高課堂的參與率(Cohen’s d = 0.21)。然而在數位和混合學習過程中,以程式工具增進學生參與討論雖部分實踐認知和教學效能,但仍缺乏真實的社交模式,亦可能阻礙學習經驗的形成。由此可知,實體課堂討論仍是主動學習過程中的重要媒介Ong et al.,
2021

有鑑於COVID-19大流行,由傳統面對面授課到線上學習經歷了極大的轉變,利用即時通訊軟體支援主動學習已驗證可行性。新加坡國大使用 Telegram 作為支援遠距學習的技術工具,並透過在 Telegram Quiz Bot 上設計相關主題測驗(Mohan
et al., 2021
,添加遊戲化元素來促進學生在群組聊天中回答的正確性和速度,幫助學生以有趣且即使地發現學習概念及知識的落差。整體而言,大多數學生對Telegram Quiz Bot的使用持正面態度。

三、主動學習

講述式教學Didactic Teaching)為教師講授、學生吸收的教學方法,至今仍然是大學校園中使用最廣泛的教學方法。自 1800 年代初期以來,講述式的教學因其有效解釋抽象概念而成為大學科學教學的首選方法。然而,「講述式的教學方式讓教育被描述成只看不練的「觀看運動」,無可避免地阻礙學生發展高階思維並減損其知識學習的權益。學習者從講述式教學中所獲得的記憶、動機和資訊理解的保留程度相對較差(White et al., 2016,因此目前多數大學的科學課程已經或正在朝向主動學習過渡。

研究顯示,若將新資訊與已知資訊聯繫,學習可能會變得更容易。講述式教學的前提是讓學生在已知的知識庫和新的內容 (或主題) 之間建立一座橋樑(Svinicki & McKeachie, 2014)。而「主動學習法」的理論根據為建構主義學習理論和維高斯基的社會文化的理論基礎上。建構主義學習理論強調個人學習是經由建構他們自己的知識、將新想法、新經驗與既有知識與經驗連結,來產生新的或增進的理解(Bransford et al., 1999)。由皮亞傑(Piaget)與其他學者創建的這個理論,認為學習者能夠將新資訊同化到既有架構中,或為與先備知識牴觸的新資訊調適修正架構(Brame, 2016)。

促進主動學習的方法常明確地要求學生,將新資訊與他們現有的心智模式做連結以延伸他們的理解。在其他案例中,教師可能會設計學習活動讓學生面對迷思概念,幫助學生根據更正確的理解重新建構他們的心智模式。無論如何,促進主動學習的方法亦會促進被歸為建構主義學習理論中的學習必需之認知工作。在學習歷程中,教師不再是傳統的注入者,而是扮演一位引導者,亦是一位輔導者。因此,主動學習應是由學習者透過討論、協商、評估且積極參與過程的學習系統,並基於安全的心理環境和學習文化促進學習活動。目前,促進主動學習最流行的方法是透過討論,此類過程可激發學習者應用各類訊息以提高學習新的能力,並在不熟悉的場景中培養批判性思維來促進學習資訊的長期保留。實施互動課程與學生的成績呈正相關(Deslauriers et al., 2019,因此讓學生參與學習過程中的討論或協商,不僅是高等教育中的常見做法,並被證明可促進閱讀、討論、寫作等高階思維和技能(Theobald et al., 2020。美國大學因應在教學上的迫切需求,將主動學習納入課程設計來融入不同背景的學生,配合後設認知(metacognition)提供了情境與學習間的連結來建構知識與理解之有效學習。 

由於資訊和通訊技術的爆發,遠距學習逐漸成為部分國家的新教育方式,尤其在COVID-19期間加速發展。截至目前,全球國家均已陸續恢復實體授課。然而,遠距學習的需求並不設限於疫情爆發,諸如不可抗力的自然災害、戰爭危機等也可能迫使機構暫時採用遠距學習。即便遠距課程的學習者流失率較實體課程高出10-20%Herbert, 2006,且學生持續參與的毅力也受到質疑。身為教育工作者,我們應該擁抱且因應動盪所產生的危機,將線上學習的途徑視為部分的轉機。隨著全球天災人禍的威脅繼續加劇,結合互動並鼓勵線上學習的混合式教學,主動學習的成功案例讓教育看到新的希望。

n  批判性思考:學習如何去學  

學習是人類獲取新的理解、知識、行為、技能、價值觀、態度和偏好的行為及認知過程,並從出生到死亡不停地與環境互動的結果,並涉及教育心理學、神經心理學、實驗心理學和教育學等研究領域。其中,行為主義及認知心理學兩大學派定義: 學習是由經驗引發行為或內在傾向與能力持久性的良性變化,不僅可運用情境來調整思路,更是學習策略性質的提升。本篇文章提出三類當代流行的學習訓練模式,做為高等教育在化學課程實踐之參考。

一、基於案例的學習  

基於案例的學習(Case-based learningCBL)是一種跨學科使用的既定方法,學生可以將知識應用到現實世界場景中,從而促進更高程度的認知。基於情境作為教學工具,在醫學院、法學院和商學院皆有成功實施的悠久歷史(Herreid, 1997),尤其在職前專業和醫學理領域,以各式醫學案例將基礎知識與病患情況做關聯,可讓實習生快速融入職場並應用所學之理論及概念。在CBL中,學生先以閱讀方式討論複雜的場景,培養分析思維、反思判斷等技能。根據所欲實踐之目標,案例學習可由事實所驅動出具正確答案之作法,亦可由多重因果互相驅動而演繹出的多種解決方案。各個學科都具備採用CBL的條件,使用的案例一般具有以下特點:邏輯性故事、新鮮、有對話、可產生共鳴並與讀者相關、具有教學功能及普遍性以解決當前困境。根據 Davis (1993) 對於一個有效CBL的定義,案例通常具有衝突的元素、講述真實且引人入勝的故事場景,簡潔陳述有關人物、地點、背景、行動的資料來促進與中心人物之同理心,即便在缺乏明顯或明確答案的案例中,仍可鼓勵學生思考並採取立場,因應當下對現實世界的情況做出判斷。

由於CBL涉及引導式探究,並以透過「親自或直接參與」的建構主義為基礎,    讓學習者與知識和環境互動而形成新的意義(Lee, 2012)。案例與解決方案讓學習    者解決不同困境的案例,甚至亦以「不可行」做為解決方案中的評論意見。新加坡    國大化學系在環境化學這門課程中,針對垃圾掩埋場的選址議題讓學生以Poll            verywhere(即時互動軟體)主動參與以表達意見,過程連結成長回憶、經濟脈          絡、  生態環境及人文地標等相關地理位置,在學生依據地理知識選擇後、重新反    思後再做選擇,並以匿名投票來增加學習者的心理安全。討論過程中,引導學生      說明選擇這些答案的邏輯思考,強調作答動機、鼓勵完整的作答及呈述過程,討論    具創意但未必可實踐的想法,諸如風向對垃圾掩埋場位置設置之考量。

人的學習是從行為、認知及經驗中建構,因此教學應重視學習過程,以CBL找出各種可能的結果後再讓學習者做出選擇。如同開放式的評量考試,讓學生在具學識的基礎上,依據所給予的事實作邏輯推理及思考能力訓練。批判性思考本身並無標準答案,這是因為過程中連結不同的自然科學及社會科學(Mahaffy et al., 2018)。未來的公民應強調學習如何與人、環境、社會、政策之間做包容相處,讓學生知道真正免費或絕對無害的事物並不存在。唯有走出學習的舒適圈,並以自主學習及批判性思考促進對事實、證據、觀察結果和論證分析的判斷,方可從過程中獲得當代新知識(Fung & Watts, 2019)。

二、系統思考   

系統思考(Systems ThinkingST) 被認為在未來永續教育中至關重要的關鍵能力之一,與學習過程中所獲取的知識同等重要。化學的學科本質涉及物質轉化、合成及分析(Mahaffy et al., 2019),原理強調以分子間作用力詮釋巨觀現象,對人類健康福祉及環境影響極大,與地球及社會系統有所聯結,絕非盲從死記的學習歷程。在科學現象的研究過程中,系統性的思維邏輯會先列出欲解決的問題、比較相關的案例、找出可能的原因、答案或衍生的問題,最後才是控制實驗參數來證實。發展化學的思維方式有助於深入了解物質的本質,並透過與生物、環境及物質之間作用所發展的生物學、地球科學及材料科學,了解系統中各項變因是如何關聯。而化學的學習者也藉由概念區分,佐以系統性及循環性的推理來理解複雜系統的運作過程及其主要機制,最終將其融合並應用於解決真實問題。

為了幫助學生解決不明確的真實問題,國際化學教育的改革逐漸強調化學學習過程的思維方式(Orgill et al., 2019)。其重要性雖已廣泛被認可,然而目前化學的高等教育尚未重視這樣的教學方式,導致多數的學生無法有效學習。追根究底,主流的化學教育強調以分段方式來學習基礎概念,並非以問題導向來建構學習思考的過程。例如,學生都知道鑽石和石墨由碳組成,卻不知道如何解釋兩者之間的性質差異。當學習者發展至一定程度的化學思維,首要能提出「物質是由元素鍵結並形成結構」等類型的問題,並強調化學鍵差異對物質的物理性質和反應的活性具影響力等邏輯思維。系統思考可應用於化學教育的例子,包括碳循環及人類活動對其之影響、開發具永續性發展的化學過程、設計符合與環境共生的新材料等。化學強調了解物質之間的複雜相互作用,未來普通化學於連結各類應用案例時(如: 氫能產生及使用),過程中應強調以分子為核心的學習概念,檢視各類關注物質(如: 藥物及塑膠) 的合成及對生物體之影響,並以知識和民主的方式參與與科學相關的政策決策,以應對氣候變遷和能源安全等全球挑戰。

三、自我調節學習

自我調節(Self-regulated LearningSRL)是學習者實現目標並察覺自我認知、動機和行為的反思過程。自我調節有多種相互交織的理論,但最常見的模型是將自我調節概念化,並為涉及計劃、績效和反思的一系列深思熟慮的步驟。這些步驟不僅可以自我學習、也可以自我調節改善,並隨著年齡的增長而增強。由於學生的情緒和對自己能力的信念在自我調節的發展和鍛煉中發揮關鍵作用,教師可以在學習的過程中教導學生成長心態和情緒,其對於支持和促進自我調節學習的角色至關重要。自我調節學習並不是一種與生俱來的能力,而是一種可以培養的技能(Zimmerman, 1986 & 2002)。發展這套技能可以讓學生更有效地學習,不僅為自己設定明確的學習目標、減低情緒反應、提高主動性,並根據目標和策略來監控自己的學習進度,鍥而不捨尋找參考資料、整理並分析問題、請求協助或改變問題的解決方式,同時消除不平衡的感受以設定更高的學習目標。

自我調節學習的第一步驟是規劃和設定目標(Forethought Phase)。目標是用來檢查自己進度的參考,依據自己的經驗及先備知識來判斷目標的難易程度,權衡活動需要的時間以制定管理計劃。第二步驟強調理解及自我發展的學習策略(Performance Phase),透過以行動、尋求幫助或集中注意力等方式來進行自我調節,甚至推遲令人愉悅的活動來堅持有效策略,以便在實現目標方面取得進展。第三步驟為監控自己對目標的理解、動機、感受或行為(Self-Reflection Phase),透過後設認知並考量各項客觀因素,重新對目標進行評估及設定,使其能專注於自己的目標工作。學習者對自我能力的掌控將影響他們評估對進步或不足的看法,決定採用努力加快目標的實現,或轉移注意力於其他任務。無論是尋求幫助、堅持或改變學習策略,均可視為自我調節的方式。

自我調節對於促進學習者的後設認知、動機和策略行動的發展至關重要,且潛在的學習能力可以提高學生學業、社交、情緒和職業成就。然而,大學教研人員激勵自我決定動機、並支持如何創造促進教學發展實踐的情境條件仍具有挑戰性。在未來更廣泛的教學範圍,大學教研人員須提早學會保持開放的心態,並接受可能與我們期望不同的情況(Fung et al., 2022)。伊利諾州生醫工程專家Parinaz Fathi說「展望未來,我會提醒自己,我的職涯軌跡可以在短時間內完全改變。最好保持我們的選擇開放,並願意適應出現的新情況」,羅徹斯特大學化學系Agnes Thorarinsdottir提及「生活就是現在!你永遠不知道明天會發生什麼事。因此,不要浪費時間做你不喜歡做的事情」。疫情讓我們學會各種不同的技能並適應變化,讓我們對時間、空間有新的教學認識,並從COVID-19中,德州科技大學化學暨生化系Joshua Tropp強調「我們應掌握今天的機會,而不是明天的機會」Fung et al., 2022

n  結語

化學教育課程必須與當代的社會發展及議題相結合,尤其是未來世紀瞬息萬變,考驗教學場域師生互動與共學歷程,即需透過結合基於案例的學習、系統思考和自我調節學習的學習訓練模式來培養批判性思維。又當今世界面臨的許多挑戰,如氣候變遷、能源生產,都是迫切需要面對的複雜議題,其涉及多個相互作用的運作系統。作為教育工作者,我們還必須教導學生如何學習以及如何做出明智的決定,透過系統思考與後設認知幫助學生識別並理解這些機制的互連性,並制定解決問題根源的方案。面臨決策時,重要的是要考慮該決策對所有涉及的互連系統的潛在後果,系統思考可以幫助學生權衡潛在的問題,並做出符合整個系統最佳利益的決策。

最後,身為大學的教研人員,我們有責任引導學生了解自己在世界上的角色以及行為可能對他人對環境所產生的影響,成為負責任的世界公民。透過上述教學案例或模式可以幫助教師開發更有效、更有吸引力的課程,不僅可以幫助學生了解化學與周圍生活及世界的關連性,還可引導學生在面對不確定高的未來,取得知識公民所需的批判性思維和解決問題的技能。

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n  附錄

    本文第一作者馮寬文博士,任職於新加坡國立大學化學系,目前擔任新加坡國家代表在國際純粹與應用化學聯盟化學(IUPAC)教育委員會任職、新加坡國家化學研究所 SNIC)理事會及美國化學學會《Journal of Chemical Education》的編輯顧問委員會成員。有興趣者可查看https://discovery.nus.edu.sg/3665-fun-man-fung/publications

系統思考在化學教育上的應用:利用系統思考建立物理化學知識架構之探討 /鄭原忠

星期一 , 11, 12 月 2023 在〈系統思考在化學教育上的應用:利用系統思考建立物理化學知識架構之探討 /鄭原忠〉中留言功能已關閉

系統思考在化學教育上的應用:利用系統思考建立物理化學知識架構之探討

鄭原忠

國立臺灣大學化學系
[email protected]

 

n  前言

近年來系統思考的架構在科學、技術、工程和數學(STEM)教育上受到廣泛的關注,研究發現,系統思考的方法已經非常普遍的融入在工程、生物、地球科學等相關領域的教育現場之中(York et al., 2019)。實證研究發現,在STEM教育中,系統思考架構的導入能夠加深學習者對課程內容的理解、增強課程內容間的連結、提供學習者用真實世界問題實踐學習成果的機會、讓學習者在實驗中更全面的考慮外在的變因、以及加強學習者跨領域的思考與實作能力(Assaraf & Orion, 2005; Jacobson, 2001; Kordova et al.,
2018; Mathews & Jones, 2008; Richmond, 1993; Sabelli, 2006)
。這些特質顯示系統思考的訓練對學習者解決複雜社會真實問題的能力養成扮演著關鍵的角色,也因此系統思考在近年來已廣泛被納入各國的課程標準或能力評量架構之中。

系統思考雖然在STEM教育受到重視,不過,到目前為止系統思考架構在化學教育中的引進大多侷限在綠色與永續化學的相關領域,這個理由顯而易見,因為綠色與永續化學的本質就涉及跨領域的思考,並需要考慮諸多系統的邊界條件以及複雜的交互作用,使得系統思考成為一項必要的認知工具(MacDonald et al., 2022; Mahaffy et al., 2021; Mahaffy et al., 2019)。系統思考的引進代表學習者在學習知識的同時必須要能夠對相關的社會、環境系統作批判性的思考,例如在學習一個合成化學反應時,要能夠想到反應的起始物和產物與社會需求的關係、它們的製作與廢棄物處理對環境的影響如何、以及是否有其他對環境更為友善的合成方式等等(Constable et al., 2019)Pazicni Flynn 的分析指出,利用系統思考作為學習架構能夠幫助學習者建立更好的洞察力(Pazicni & Flynn, 2019),也因為聚焦在系統功能以及動態關係的原因,能夠做到更有效的有意義的學習(meaningful learning(Bretz, 2001; Novak, 2002)

目前在化學領域的教學現場並未普遍的導入系統思考的訓練(Chiu et al., 2019; York et al., 2019),這項缺失可能導致學習者學習意願低落,並且缺乏活用知識的組織能力與實作經驗,而無法將習得的化學知識應用到解釋現實生活中的問題與現象。Constable等人認為化學系統具有複雜性的本質,必須要有系統層級的思維才能駕馭,因此系統思考在化學教育是必要的工具(Constable et al., 2019; Flynn et al., 2019)。不過,從學習心理學的角度來看,化學知識涉及從微觀尺度原子、分子間的交互作用解釋宏觀的實驗結果與現象,這本身就不是容易的工作(Johnstone, 1991; Taber, 2013),因此要在概念上連結系統層級的現象與微觀的物理原理,並在教學現場成功的實作,仍然有許多嚴峻的挑戰(Ho, 2019)。當考慮在化學教育導入系統思考訓練的時候,教師的意見也是重要的影響因素,在一項研究中(Jackson & Hurst, 2021)Jackson Hurst 對同系的大學化學系教師做了詳細的訪談,結果顯示所有的參與者都同意系統思考的正面效益並願意在自己的課堂上導入系統思考架構,不過因為時間的不足以及缺乏可供作參考的成功案例,因此難以實踐,這項研究清楚的指出持續發展能用在教學現場的系統思考模組以及建構系統思考相關的教學資源,是當前推展系統思考教育的重要一環(Flynn et al., 2019; MacDonald et al., 2022; Szozda et al., 2022)。在這個方向上,最近Ravi等人 將系統思考架構導入一整個學期的化學催化課程(Ravi et al., 2021),以及Holme利用系統思考架構在普通化學導入藥物與永續化學教學(Holme, 2020),都在學生回饋時得到非常好的評價。

    上述在化學教育引進系統思考架構的挑戰在面對物理化學(Physical Chemistry)教學時顯得更加的嚴峻,物理化學運用數學語言以及基本物理定律給予化學系統的性質以及化學現象定量的描述,也提供了利用微觀原子與分子性質解釋巨觀化學現象的基本規則,是化學教育極為重要的一環,但是因為偏重理論的性質,在文獻中仍缺乏利用系統思考架構來幫助物理化學教學的實例,因此,本文以二氧化碳系統與熱力學知識的連結為例,探討在物理化學教育中引進系統思考的可行步驟,希望建立一種以系統為導向的物理化學知識概念圖,能夠更清晰地呈現理論知識與真實系統的關聯性,以提供學習者更有效以及更有意義的學習過程。

n  系統思考與化學教育

一、系統思考的基本觀念

    系統思考的定義在文獻中有眾多不同的闡述,有興趣的讀者可以閱讀本期專刊中其它作者的說明或參考(Ho, 2019)中簡潔清楚的整理,本文採用的是Meadows提出的觀點(Meadows, 2008):「一個系統是一群相互關聯元素,以實現某些目標的方式和諧地組織起來」,在這個觀點裡,一個系統必須由三類事物組成:元素(elements)、互聯關係(interconnections)、以及功能或目的(function or purpose),這三個要件的存在可以作為檢視一個模型是否符合系統思考原則的測試標準(Chiu et al., 2019),因此,系統思考便是一種強調系統的這三個特性並據以進行學習、教學、與評量的系統架構,在這個架構下,系統內各成分之間的互聯關係、這些關係的動態變化(隨時間或空間)、以及系統本身或外力的動態變化如何對系統的行為產生影響(Arnold & Wade, 2015; Richmond, 1993),這樣的思考架構,對於處理真實世界複雜體系的問題,扮演著關鍵的角色(Constable et al., 2019)

    在化學教育中導入系統思考的訓練是在 2010年代中期開始引起廣泛的關注,國際純粹與應用化學聯合會(簡稱IUPAC)在 2017 年開始啟動「化學教育中的系統思考」計畫(簡稱 STICE(Mahaffy et al., 2018; Mahaffy et al., 2019)2018 年時,參與STICE計劃的學者們在美國化學會的《化學教育期刊》(Journal of Chemical Education)發表了一期專刊(Mahaffy et al., 2018),全面性地對化學教育中如何在課程設計、教學方法、教具等面向引進系統思考做了整理,並特別強調系統思考不僅可以加強學生學習化學知識的動機、加強學習成效,並且可以幫助學生看到化學知識與跨學科領域問題的關聯性,讓綠色以及永續化學的知識能夠更密切的導入主流化學課程的教學內容,在這份專刊中,台灣師範大學化學系的邱美虹教授發表的論文提出了四個系統學習在化學教育中的重要特性,並據以探討在以色列、荷蘭、台灣、美國等四個國家的中等學校化學課程標準中的系統思考元素(Chiu et al., 2019)

    Tümay強調從化學以及化學教育的角度,系統思考的過程可以被想像成是一個動態的循環,其中的步驟包括:(1)對系統建模(modeling systems),(2)進行前瞻與預測(prediction),與(3)回顧與修正模型(retrospection(Tümay, 2023),而反覆地進行這個循環是成功處理複雜且動態的化學現象不可或缺的一環。在這三個步驟中,系統思考相關文獻特別注重系統建模的過程,並且有許多學者都強調化學系統建模應該要考慮 CISP 四個基礎的面向,包括:(C)系統的組成單元(Components of system)、(I)系統組成單元間的交互作用(Interactions
of the system components
)、(S)系統的結構(Structure of the system)、以及(P)系統的特性(Properties of the system(Chiu et al., 2019; Tümay, 2023),在辨識化學系統以及系統間的關聯性時,運用CISP的技巧是重要的能力。

二、協助系統思考的圖形工具

    為了更有效地在化學領域引進系統思考的架構,Mahaffy Matlin 等人強調利用圖像方式呈現系統的定義以及系統之間的動態關聯性的重要性(Mahaffy et al., 2019; Mahaffy et al., 2019; Schultz et al., 2022),他們將傳統的概念圖改良,發展出系統導向概念描繪延伸圖(system-oriented concept map extension,簡稱SOCME),例如圖1就是大氣中二氧化碳濃度相關的SOCME,從圖中可以清楚辨識系統元素、互聯關係、以及功能等要件,更重視子系統(subsystem)的組成與邊界,以及子系統間之動態關聯。整體而言,SOCME提供了一個全面關照系統成分(components)與關聯性的組織方式,可以作為在化學教育中系統思考實作訓練的重要教學資源(Flynn et al., 2019)除了SOCME 以外,Aubrecht等人更進一步提出了一系列的圖形工具與符號來輔助系統思考的概念發展(Aubrecht et al., 2019),不過,雖然圖像化的思考有助於學習者直觀的理解複雜系統的動態連結,過度複雜的符號工具卻有可能模糊了學習的焦點並造成學習者不必要的負擔,在使用的時候應該做謹慎的評估。

三、系統思考能力

    從教育理論的觀點,一項重要的問題是系統思考架構究竟可以帶給學生什麼樣子的能力呢?這個問題我認為可以用 Assaraf Orion 提出的「系統思考能力階級模型」(system thinking hierarchical model(Assaraf & Orion, 2005) 來回答。圖2中簡述了統思考能力階級模型中的三個系統思考階級,以及八項學習者在系統思考訓練中應該要獲取的技能。這八項技能從第一階級辨識系統成分與過程的靜態組成,第二階段強調系統成分間的相互關聯以及動態的行為,到第三階段的進階整合與分析能力,此一統思考能力階級模型除了可以應用在課程規劃以及教學方法設計之外,也可以作為評量學習者學習成效之基礎要素。特別值得一提的是在教學上設計讓學習者依照此階級模型的順序製作SOCME可以完全呼應統思考能力建立的過程,因此SOCME可以作為一種特別有效的系統思考學習工具。

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1:二氧化碳相關的系統導向概念描繪延伸圖,闡述人為活動生成的二氧化碳與大氣、海洋、氣候、減碳措施之間的動態關聯性。
資料來源:”Graphical Tools for Conceptualizing Systems Thinking in Chemistry Education,” by Aubrecht, K. B. et al. (2019). Journal of Chemical Education, 96, 2888–2900. ©Copyright 2019 American Chemical Society.

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               2:培養系統思考能力的階級模型。

資料來源:整理自” Development of system thinking skills in the context of earth system education,” by Assaraf, O. B. & Orion, N. (2005). Journal
of Research in Science Teaching
, 42, 518–560.

n  系統思考與理論物理化學以熱力學第一定律為例

一、傳統的理論物理化學知識架構

    傳統的物理化學教學強調按部就班地建立學習者的數學以及物理學基礎知識,往往過度強調一種線性的學習過程,這一點可以清楚的從一般物理化學大學教科書的編排中看出。例如圖3是從HyperPhysics網站擷取的熱力學知識概念圖,而這個圖像展現了一般高等教育物理化學課程教授的知識途徑,清楚的呈現傳統理論物理化學教育的線性過程,這樣的知識架構簡化了教學的複雜度,但是卻難以呈現知識之間真實的關聯性,例如圖3中的亂度(entropy)概念是作為一項學習路徑的終點,無法反映出亂度幾乎在所有其他的知識概念如熱平衡(thermal equilibrium)與理想氣體定律(ideal gas law也都扮演著關鍵性的角色,此外,在傳統物理化學教學方法中,往往是先教授理論知識與模型,再「舉例子」說明理論在真實情境的應用,這樣的方式弱化了理論知識與真實世界問題的連結,造成學習者在未來應用所學知識的障礙。有鑒於這些傳統理論物理化學知識架構的問題,本文建議從真實世界系統的SOCME出發,來發展出新的知識概念架構,據以將系統思考的架構引入物理化學教育。

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               3:傳統的理論知識概念圖,以熱力學為例。

資料來源:HyperPhysics (©2016 C.R. Nave). Retrieved November
10, 2023 from
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/heacon.html

二、利用SOCME 建立物理化學知識架構

    在本節中我們嘗試拆解從SOCME建構物理化學理論知識架構的過程,經過反覆的嘗試,我們認為這個過程可以分成系統的聚焦與放大、系統的建模、以及系統的符號化等三個步驟,透過檢視此過程中每個步驟的操作要素,我們可以建構一套系統化的方式將SOCME轉化成具有完整連結的理論知識地圖,我們稱之為系統導向知識概念圖(system-oriented knowledge concept map。以下逐步說明此三個步驟。

(一) 系統的聚焦與放大

    如圖1SOCME涵蓋非常多個系統成分與子系統,其複雜度往往超過一門課程可以處理的資訊量,因此,第一步需要選取並聚焦在SOCME中的某項成分,以圖1中的系統為例,我們選擇聚焦在「燃燒化石燃料」(burning fossil fuels)的這個部分,並據以探討熱力學相關的知識在此系統中扮演的角色。圖4呈現我們挑選出來的系統成分,要特別注意在選取的過程中應該保留此成分與其他組成成分間的相互關聯以及功能,如此一來,後續完成的知識概念圖可以保有與系統其他沒有被選取的成分間的關聯性,因此,聚焦雖然選取了系統的單一成分來做分析,卻不會破壞系統思考的整體性。

    一般而言,從SOCME選取的系統成分,表徵的是巨觀的現象學描述,此時需要利用系統的多尺度(multiscale)特性,因此可以在考慮系統的組成時,將系統概念作放大(zoom in)或縮小(zoom out)的操作(Ravi et al., 2021)。以「燃燒化石燃料」為例,此一描述是比較巨觀與粗略的,而我們需要可以對應到真實物理系統的SOCME,因此必須要透過放大來找出其中關鍵的組成成分。這個步驟應該讓學習者利用CISP的技巧以及系統思考能力(圖2)來建構一個能夠描述所選取系統的概念圖,並辨識出關鍵的物理系統。以「燃燒化石燃料」為例,我們可以以「內燃機」(internal combustion engine)為核心重建一個放大後的SOCME圖,如圖4所示,這個過程需要辨識並瞭解系統內隱藏的維度,並需要應用比較高階的系統思考能力。放大的準則是核心概念(如內燃機)必須要能夠對應到實體物理系統的,才能夠進入下個步驟,因此,選擇契合系統功能的適當尺度來建構聚焦放大的系統概念圖,是成功的關鍵。

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               4:選擇「燃燒化石燃料」並聚焦放大的系統概念圖

(二) 系統的建模

    建立完如圖4這樣在放大的尺度呈現出來的SOCME後,我們應該再次選取部分的成分來進行分析,以免被過度的複雜性系統概念影響在物理化學教學,如圖5所示,這次選取「內燃機」與「化石燃料」(fossil fuels),並且要針對這個部分進行建模,這個建模的過程是處理科學知識的重要基石,在過去的文獻中已經有眾多清楚地探討,本文不再贅述,此時要特別強調進行「近似」的重要性,為了能夠得到清楚的數學描述,必須要捨棄較不重要的系統性質,以近似的模型取代真實世界的實際情況,因此完成的模型應該是一種對原本的系統進行過近似的模型表徵(approximated model representation),結果如圖5所描述。為了與物理原理進行連結,此時所採取的模型應該已經是簡化過可以用明確的物理知識描述的模型。我們發現,在進行SOCME建模時,除了物理系統以外,在模型中應該將互聯關係以及系統功能所對應到的物理過程清楚的呈現出來,例如在圖5中,「產生功」(generate work)的這個功能被轉化為實體做功的氣體壓縮(compression)或膨脹(expansion)的過程,才能算是完整的系統建模。

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               5:從系統描述到物理模型的建模概念圖

(三) 系統的符號化與系統導向知識概念圖

最後,我們將建立的模型符號化(symbolize),包含描述系統性質的變數與函數,以及描述物理過程的公式以及物理定律。經過整理之後,可產生如圖6之概念圖,因為此圖保留了系統思考過程產生的系統成分以及成分間的關聯性,也可以清楚辨識知識子系統的本質與界線,我們稱之為一種系統導向知識概念圖。我們發現從系統物理模型(圖5)符號化而產生的知識概念圖,能夠自然地涵蓋非常豐富的理論知識範圍,例如圖6基本上包含了物理化學教科書中關於熱力學第一定律篇章內的所有重要的內容,可視為是一個針對熱力學第一定律相關的理論知識歸納整理出來的SOCME

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      6:透過將系統模型符號化取得的系統導向知識概念圖以熱力學第一定律為例

n  結果與討論

在上一節中,我們描述了一套系統化的方式將SOCME轉化成具有完整連結的系統導向知識概念圖,並呈現用熱機系統闡述熱力學第一定律的過程。這些步驟本質上就是一個建立科學模型的程序,因此我們可以利用過去化學教育領域對於科學模型與建模的研究成果來幫助我們完成此一任務(邱美虹 2016)。不過,在利用SOCME建模的過程中要特別注意的是複雜系統的多尺度本質以及物理化學過程與原先系統模型中的互聯關係以及系統功能間之映射關係。如何更清晰的辨識這些建模過程的重要性質,並在傳統科學模型建模理論中嵌入(embed)系統思考建模的特徵,將是未來進行相關研究的重點。

關於如圖5的系統導向知識概念圖,我們要強調它不是一種最終產物,從系統思考的角度看來,圖 1,4,5,6 應該視為同一個系統在不同解析度以及學術情境底下的表徵,我們可以想像在二維的 SOCME 之上可以再加上一個表徵性(representational)的維度,因此不應該將圖5所呈現的系統導向知識概念圖當作一項最終成品而獨獨利用它來作為教學的依據,而應該隨著教學進度在不同的表徵間切換,讓學習者理解系統的表徵性維度,並能夠透過在系統簡約模型層次了解的關聯性來建立理論知識之間的連結,進而強化學習者進行通則化並能在其它情境應用所學習到的知識。在這個基礎上,系統導向知識概念圖提供能夠更輕易的應用在探究式教學(inquiry based learning)或有意義學習(meaningful
learning
)的理論知識內容。

此外,我們也可以清楚地看出在從SOCME建構系統導向知識概念圖的過程中必然需要應用到所有階級的系統思考能力(圖2),因此讓學習者參與這個建構的過程可以同時訓練其系統思考能力,可以作為在物理化學課程中引入系統思考教學的一項實作活動。

n  結語

本文旨在探討在物理化學教育中引進系統思考的可行步驟,我們建議透過1)系統的聚焦與放大、(2)系統的建模、以及(3系統的符號化這三個步驟,來將系統思考模型的SOCME轉化成一種系統導向知識概念圖。例如本文描述從二氧化碳系統的「燃燒化石燃料」的系統成分作為出發點,發展出統整熱力學第一定律的系統導向知識概念圖,我們可以想像將同樣的過程應用在二氧化碳系統的不同組成成分之上,最後應該能得到一個涵蓋所有熱力學教科書知識的知識概念圖。換句話說,本文所描述的內容可以用來在一門課程中利用二氧化碳系統SOCME達成完整的熱力學知識教學,這樣的過程應該也可以推廣到其他學科領域。

我們強調,與傳統的知識概念圖比較,本文呈現的是一種翻轉知識架構建立方式的過程,在建構系統導向知識概念圖的過程中,學習者不再是為了要學習某一種知識而採用一個情境來當範例,而是直接從問題情境中去發想解決問題所需要的知識,因此我們預期此種方法導入物理化學教學將有助學習者更能靈活的運用所習得的知識。不過,本文所描述的內容只是一項初步的發想,文中建議的教學法還有待在實際的課堂上進行實踐,此外,針對這些概念相關的學習活動設計、評量方式等等都有待進一步的研究來驗證效度。期待在未來可以發展出更全面且有效的方式,將系統思考架構應用到理論物理化學教育之上。

n  參考文獻

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系統思考在化學教育上的應用:永續化學教學策略導入系統思考之實務經驗 /周芳妃

星期日 , 10, 12 月 2023 在〈系統思考在化學教育上的應用:永續化學教學策略導入系統思考之實務經驗 /周芳妃〉中留言功能已關閉

系統思考在化學教育上的應用:永續化學教學策略導入系統思考之實務經驗

周芳妃

臺北市立第一女子高級中學
[email protected]

n  前言

 系統思考Systems Thinking是一種分析和解決問題的方法,它關注整體系統、相互關聯和相互影響的因素。將系統思考應用於永續/綠色化學sustainable
chemistry
green chemistry
之教學策略中,可以增進學生理解所學之化學知識與氣候變遷、生物多樣性、水資源維護、土壤保護、人類健康福祉等永續發展目標之間的關聯,也可培養學生綜合思考、批判性思維、主動學習和解決問題的能力。本篇文章介紹目前高中課綱規範的課程中,如何在高中化學課程中,發展永續化學教學策略並導入系統思考,也說明如何利用專業且學術性的免費網頁:「Connect
Chemistry to Sustainability
」安排成學生的學期報告,引導學生閱讀英文網站,探索互動式工具、進行科學翻譯,達成閱讀與理解。本文最後分享數篇學生的學習心得,並分析永續化學教學策略導入系統思考的優點。

n  淺談近年化學教學策略的發展

    從近年化學教學策略的發展來看,研究指出提供學生符合概念發展的學習次序及內容,可避免學生發展成不正確的概念。例如在初期先建立學生完整的微觀粒子概念,可利於學生瞭解後續氣體粒子的隨機運動、氣壓大小及分子數量的關係(邱美虹等,2013)。近期化學教學策略與教科書編輯重視所謂化學概念三個層次之間的連接,有研究識別20102020年的75篇論文關於化學概念三個層次的使用術語,最被廣泛使用且占比為50.67%的說法為:巨觀層次Macroscopic Level)、次微觀層次Submicroscopic Level和符號層次Symbolic Level)(Luviani et al., 2021)。

一、化學概念三個層次的教學策略

(一)巨觀層次的教學策略

    教師提供肉眼可辨識、或影片、或生活經驗等的化學現象的觀察和測量。例如讓學生透過實驗觀察和測量來觀察化學現象並加以數據分析和解釋,以幫助學生建立對化學性質、反應速率、平衡等巨觀現象的理解。

(二)微觀層次的教學策略

    次微觀Submicroscopic與微觀Microscopic的想法在教學上的意義相似,其差異在於次微觀與微觀是物質尺度的不同。但在目前我國中學化學課程中常以微觀稱之。策略上,教師在教學中引入分子模型、模擬軟體和動畫等教學工具等,來幫助學生理解物質結構、化學反應機制、分子運動和物質變化的微觀機制,提升學生學習理解分子之間的相互作用、反應機制和能量變化等。

(三)符號層次的教學策略

    教師使用專有符號和表示法來解釋化學概念,例如化學方程式、分子結構、化學式等,來幫助學生進行化學符號的閱讀、寫作和解讀,以幫助學生熟悉化學的專業語言,也能使用符號來表示化學變化和反應。

二、化學教學策略的新增概念:永續綠色化學

    聯合國2015年頒布17項永續發展目標之後,化學教學策略也順應導入新的思維,以設計促進健康福祉、環境保護、落實永續發展目標的教材教法。依據上述需求,現行108課綱的高中化學學習內容也新增了永續/綠色化學融入各章節的設計。永續/綠色化學是強調減少對環境影響和資源可持續利用的化學原則和具體實踐方法,高中化學課程教材教法設計可涵蓋以下內容:強調環境意識與循環經濟概念、重視可永續的化學應用、探索綠色化學12原則、研發與推廣綠色實驗和可再生能源等。化學教學策略可從舖陳化學概念三個層次擴增到四個層次之間的連接:巨觀、微觀、符號表徵與永續/綠色化學。(見圖1

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 1:化學教學策略四個層次範例:巨觀、微觀、符號與永續/綠色化學

n  系統思考的資源範例:永續/綠色化學與高中化學的連結

    欲將永續/綠色化學的廣泛議題與高中化學的基礎課程形成連結,對教師而言,課程設計的挑戰性不低。為了幫助學生在環境影響議題上的學習能「言之有物」,在此介紹一項導入系統思考的網站教學資源,也介紹設計作為學期作業教學策略。

一、網站教學資源

    此處介紹網站教學資源是由加拿大「國王科學視覺化中心」(The King’s
Centre for Visualization in Science
KCVS
單位所開發,IUPAC永續發展化學系統思考(STCS-2030+)計畫工作小組於 2022 7 8日發布,以配合基礎科學促進永續發展國際年International Year of Basic Sciences for Sustainable Development, IYBSSD 2022),並已收納於IUPAC官網。此為免費的互動式地球限度Planetary
Boundaries
系統思考學習工具,將化學與永續發展連結起來。

    地球限度包括九個影響地球永續的系統結構:生物多樣性、氣候變遷、生化循環(氮循環和磷循環)、土地系統變化、海洋酸化、用水資源、臭氧層、氣溶膠負載和新物質引進。此工具強調了基礎化學在調節地球限度所發揮的基本作用,化學在監測和了解地球系統過程對地球健康和人類社會的影響和相互作用等方面發揮關鍵作用。找尋此網站教學資源可使用下列關鍵字:「Sustainable Planetary Chemistry IUPAC」,就找到下列網頁:Connect Chemistry to Sustainability(見圖2

image

2:免費的互動式地球限度Planetary Boundaries系統思考學習工具。
圖片擷取來源:
https://iupac.org/connect-chemistry-to-sustainability/

    在此網頁中,點擊「過程」(PROCESS入口點出現的視圖,可了解地球限度中九個地球系統過程的控制變量的狀態,強調隨時間的變化如何提供可持續發展的儀表板,有助於講述由於人類活動而導致的地球狀態的故事(見圖3點擊「課程」(CURRICULUM入口點出現的視圖為互動工具,此為說明化學課程內容(包含化學平衡、熱化學或氣體等)與地球永續發展的連結和整合(見圖4和表1)。image

3「過程」入口點的視圖可了解地球限度中九個地球系統過程的控制變量的狀態。
圖片擷取來源:
https://iupac.org/connect-chemistry-to-sustainability/

image4「課程」(CURRICULUM入口點說明化學課程內容與地球限度的連結和整合
圖片擷取來源:
https://iupac.org/connect-chemistry-to-sustainability/

1「課程」(CURRICULUM)所列出的地球限度與化學課程內容


地球限度的九個系統結構


化學課程內容的八項基礎課程


生物多樣性(Biosphere
Integrity
)、

氣候變遷(Climate
Change
)、

生化循環(Biogeochemical
Flows
)、

土地系統變化(Land-system
Change
)、

海洋酸化(Ocean
Acidification
)、

用水資源(Freshwater
Use
)、

臭氧層空洞(Stratospheric
Ozone Depletion
)、

氣溶膠負載(Atmospheric
Aerosol Loading
)、

新物質引進(Novel
Entities


熱力學(Thermochemistry)、
平衡(Equilibrium)、
氣體(Gases)、
溶液(Solutions)、
分子結構與鍵結(Molecular
Structure and Bonding
)、

酸鹼化學(Acid-Base
Chemistry
)、

元素週期表與物種(Elements,
Periodicity, and Speciation
)、

動力學、反應速率與催化劑(Kinetics,
Rates of Reactions, and Catalysis
)、

二、學期作業教學策略

    利用此網頁中「課程」(CURRICULUM)入口點與互動工具,可以引導學生學習化學課程內容與地球永續發展的連結和整合。由於此為英文網頁,因此可安排一項學期作業的教學策略,讓學生練習操作此網頁互動工具,再使用翻譯軟體來閱讀理解,並完成報告。下列介紹給高一必修化學課程的學期作業範例(見圖5)。指導學生操作流程:先進入網頁,點選「課程」(CURRICULUM),互動操作(見圖67),完成探索及翻譯,撰寫心得。經112學年度作者任課的高一學生同意後,摘錄一些學生報告作品範例與心得如下(見表2)。

image 5高一必修化學課程的學期作業範例

image

6互動操作:點擊九個橢圓形圖案之一的系統結構,會出現與其與化學課程(狹長型方框)之間的關聯,而關聯的理由敘述於方框中之簡介說明文字。
圖片擷取來源:
https://iupac.org/connect-chemistry-to-sustainability/

image7互動操作:點擊圖六的關聯性方框後出現的詳細說明文字,請學生進行翻譯與截圖。
圖片擷取來源:
https://iupac.org/connect-chemistry-to-sustainability/

2摘錄一些學生報告作品範例與心得


clip_image016[4]

 

(一年書班
許芷寧)


    一開始選擇這個主題是因為國中的理化老師上課有提到氟氯碳化物會破壞臭氧層,……在這個主題中只有「gases氣體」這一項是我之前有聽過的,其他現象都是從來沒看過的,即使經過翻譯還是有許多沒看過的化學物質、化學原理,甚至一個一個去查都還是一頭霧水,一個原理要想好久才通。雖然過程很燒腦,但可以讓我們到更多自主學習的管道、學會自己找資源去翻譯,查資料的過程也能讓我們對這些知識的印象更加深刻,甚至比老師直接告訴我們更有學習效果。同時也給我們一個概念—之前學的化學原理出現在生活中的什麼地方、可以應用在什麼地方等等……讓我們更清楚自己在學什麼,不能只會讀書沒有融會貫通、不會應用。(一年書班
許芷寧)


    面對全球暖化的挑戰,我們都站在同一艘船上,結果不是我們全體的成功,便是我們全體的失敗(佛瑞德‧卡洛普)。透過這次化學課的報告,讓我有機會去探索課本以外的東西,去了解議題趨勢的脈動、去成為關心國際議題的世界公民。在探究SDGS的過程裡,我也同時認識了氣候變遷以外的各種議題,經過多方涉獵、研究後,找到自己最有興趣的部分作成報告。這樣對於108課綱所需的素養力、辨析力皆有很大的助益,我也從中學習到利用網路資源查找資料的方法。氣候變遷的確是一個與你我都息息相關的議題,……我覺得在這種探索活動中,我們擁有了這一切反思、學習、成長的機會,讓我們不再像以前填鴨教育下的學童死讀課文,反而能跳脫書本的框架,探索框架外的世界。(一年書班
黃宣蓉)

 

 


化學領域的熱力學、動力學、元素與週期表與氣溶膠負載關聯,他們看似微不足道,實則能影響整個地球,他們的直接影響氣候、生態,進而影響人類社會。我大致連結了四個SDGs指標,……所有永續發展目標都是環環相扣的,大致上可以從人文與環境兩個角度去切入,私以為只有在人類與生態達到平衡時,我們才有辦法去解決其他的社會問題,如SDGs-2,非洲的糧食問題源於本地糧食生產不足,這根源於地理因素,但同時全球暖化與氣候變遷加劇了這個現象,讓氣候回歸正常雖不能完全解決,但仍可達到緩解的作用。另,如,SDGs-11中的第五細項:減少各種災害的死亡及受影響人數,目前來說,天災的發生正在變多且有加劇的趨勢,如此一來,各種災害的死亡及受影響人數必然會增加,於是又回到使氣候穩定這個目標。……地球其實不斷在變,我們只是剛好生在了穩定的時代,而我們正親手破壞這微妙的平衡,現在能做的也只有盡每個人的一份力去補救。(一年書班
侯季妍)


在一開始看到這個網站時,我完全被上面密密麻麻的英文和一堆專有名詞嚇住了。但在上網把單字一個一個查了一遍後,我發現網站中的內容其實很貼近我們的日常生活,只是因為語言不熟悉才會感到如此陌生。讓我深刻地感受到「術業有專攻」,要透徹了解任何一個科目都不是一件容易的事。但從原本甚麼都看不懂,到慢慢了解內容,是個很有趣、有成就感的過程。我發現「海洋酸化」並不是表面簡單的四個字,……探索完網站後,我更直觀的了解到化學的深奧及廣泛,遠不只是課本上生硬的文字敘述,而是可以實際運用到生活中的實用知識。雖然自己目前的知識量還不足以理解所有的內容,很多定理或定律都是我之前沒有聽過的,甚至對一些名詞的定義完全不清楚。不過希望隨著高中課程的進行,有朝一日,我可以靠著自己的能力分析整個網站。(一年書班
闕翊芸)


這次製作化學報告,給了我機會深入了解和思考我們所處的環境問題,同時也讓我更加了解高中化學與現實生活之間的連結。這份報告讓我體會到了科學知識對於解決全球氣候變遷問題的重要性。環境永續,這是當今世界面臨的重大挑戰之一。環境永續是指我們應在確保資源不會被用盡的情況下使用他們,以此保護我們的地球。這關乎到我們的生存和未來世代的福祉。我發現化學可以提供解決問題的關鍵。例如,我們可以研究如何減少溫室氣體的排放,開發更有效的可再生能源,或者改進能源存儲技術。這些都需要化學知識,特別是關於催化劑、反應動力學和熱力學等方面的知識。我深深感受到環境保護的迫切性,以及我們每個人都應該盡力減輕氣候變遷的責任。同時,我也更加明白高中化學知識在解決當前環境問題中的重要性。我們必須利用科學知識,尋找創新的解決方案,並採取行動,以實現永續發展和保護地球。(一年書班
彭子嘉)

n  結語

    永續化學教學策略導入系統思考有很多優點,可促進學生在化學領域的學習表現,也能養成更遠大的視野,一起為國際永續發展努力。綜合一些學生的學習表現如下,包括:

具備綜合性思考能力,了解化學知識在整個生態系的作用和影響,也批判性思考使用化學物質的適當性與循環性;

體驗創新和實踐創造力,用於探討化學解決方案,例如環境友善的合成方法、可再生能源的應用及廢棄物處理和回收等;

看到化學與不同學科之間的相互關聯性,例如數學、環境科學、工程技術和社會科學等,體驗學有所用而具有持續主動學習的能力,並引發對未來職業或研究的興趣;

了解永續化學在全球範圍內的重要性和實際應用之挑戰,提升全球視野和跨文化理解,進行成為全球公民的準備過程。

n  參考文獻

邱美虹、吳文龍、鍾曉蘭、李雪碧(2013)。以概念演化樹探討跨年級學生理想氣體心智模式之發展歷程。科學教育學刊21(2), 135-162

Luviani S. D, Mulyani S, & Widhiyanti T. (2021). A review of three levels of chemical representation until 2020. Journal of Physics: Conference Series, 1806, 012206.

International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) (2023.11.7). Connect Chemistry to Sustainability. Retrieved November 7, 2023 from https://iupac.org/connect-chemistry-to-sustainability/

系統思考在化學教育上的應用:導入系統思考的普化課提高美洲原住民學生學習意願 /汪俊宏

星期六 , 9, 12 月 2023 在〈系統思考在化學教育上的應用:導入系統思考的普化課提高美洲原住民學生學習意願 /汪俊宏〉中留言功能已關閉

系統思考在化學教育上的應用:導入系統思考的普化課提高美洲原住民學生學習意願

汪俊宏

Department of Science, Northland Pioneer College, Little Colorado Campus, Winslow, AZ, 86047

[email protected]

n  前言1

美洲原住民在美國教育體制屬弱勢,偏鄉地區的高等教育實屬不易推動之任務,許多原住民學生無法在六年內完成美國二年制大學學院便離開學校,即使留在原校轉系的學生也常常選擇放棄理工相關領域的路線而轉至其他領域。將系統思考導入到普通化學課已有許多院校實施,此不僅提高學習意願,也讓學習更有效率,在僅有少數學生主修化學的前提下讓較多學生不畏懼修化學課。將美洲原住民部落納瓦霍(Navajo)與霍皮(Hopi)部落的文化導入到普化課中也提高學生學習興致,將學生自身文化與化學做結合,在基礎科學課程中引起了極為顯著的影響。

n  什麼是系統思考?

系統思考背景

        大一基礎課程的學習目的是提供學生大的框架,從中尋找出自己可能有興趣的課題,藉而延續類似的課題而逐步刻畫出職業生涯的藍圖。普化課程的安排是從第一章的「什麼是化學」開始,然後一步步從原子、分子、離子架構,化學反應,化學鍵,氣態、液態、固態、溶液,熱力學,化學動力學、化學平衡等等。但在學習過程中往往產生一些疑問:學習這些內容要如何跟日常生活與未來職涯發展找到相關性。地球限度(planetary boundary)的概念(Rockström, 2009)最早由Johan Rockström等人於2009年提出,加拿大埃德蒙頓國王大學的Peter Mahaffy團隊製作的地球限度(planetary boundary)(KCVS, n.d.)網頁,讓學生更容易地了解地球限度,裡面從許多人類的重大議題:氣候變遷、海洋酸化、乾淨水源等等衍生出更多議題,這過程中引導出我們需要知道的基本概念,例如想要研究氣候變遷議題,就必須對能量守恆定律(熱力學第一定律)、分子結構與鍵結、氣態化學與化學平衡有基本了解,然後再衍伸出水的高比熱對於調節地表水溫度的重要角色。從小觀點一步步延伸至大觀點,可以幫助學生找到自己的興趣,也可以避免學生因為學習眾多普化觀念卻不知道該如何延伸至其他議題。

n  納瓦霍與霍皮文化

與美洲原住民的生活環境息息相關

歷史上納瓦霍與霍皮原住民部落主要位於猶他州、亞利桑那州與新墨西哥州,我所任教的學校所在位置包含納瓦霍郡與阿帕契郡,有部分校區在原住民部落:納瓦霍、霍皮與阿帕契,我負責教學的區域包含了納瓦霍與霍皮,這兩個部落所在位置在歷史上飽受空氣與水污染的影響,急需要理工相關背景的學生在畢業後回到原部落改善當地生活,而原住民的文化也鼓勵部落族人回到故鄉服務。在這樣的前提下,使用地球限度的概念告訴學生這個世界所面臨的問題,然後引導學生思考他們祖先世世代代生活的土地面臨了一些自然資源耗竭以及環境污染的問題,在Mahaffy等人設計的網頁中可以提醒學生氣候變遷、乾淨水源等問題可能已經在部落耆老口中聽到許多,在許多年前的部落沒有空氣與水污染的問題,現在卻浮現越來越多類似問題(Armao, 2023),當中牽連了許多歷史因素,導致目前的居民必須面對這些問題。系統思考可以引領學生思考更深層面的問題,例如乾淨水源需要學生了解酸鹼化學與分子結構與鍵結,學生會更想了解pH值與分子間作用力(例如極化作用與氫鍵)的概念,而這些概念在普化課程中皆有提到。

我在開學第一週並不是開始從普化第一章開始講起,而是用故事串連起所有的章節,引導學生思考為什麼他們需要學習普化,我從他們的日常生活環境開始引導,例如:(一)這個地區的水源來自科羅拉多河(Colorado River)以及其分支小科羅拉多河(Little Colorado River),然而這個區域的水質偏硬,因為水中碳酸鈣CaCO3的含量過高,所以在煮開水時水壺底部總是一層白色物質。(二)原住民部落耆老會使用各種藥材來治療疾病,而這些藥材只生長在特定區域,若是在保護區內,往往很少有機會能夠在藥理上有所研究,這與歷史上原住民不喜歡歐洲移民來到他們生長環境做研究有關,也因為這樣,研究相關藥物的責任便落在部落有受高等教育的年輕人身上。(三)在亞利桑那州溫斯洛(Winslow)地區附近有座火力發電廠Cholla Power Plant將在近兩年內關閉(Decenti, 2022),關閉之後面對的問題則是尋找新的電力來源,雖然說亞歷桑那有大片沙漠,理論上適合發展太陽能電力,但這樣的來源是否能穩定供應當地呢?(四)另外引導學生思考的則是地質上的問題,世界知名的大峽谷國家公園距離我任教學校僅兩個小時車程,但我們對於這座國家公園還有很多不了解的地方,研究地質化學是否能夠尋找到與大自然和平相處的方法呢?藉由引導學生思考這些問題,然後連結到化學相關領域,讓學生提高修習普化的動機,知道學習這些普化基本概念對未來可能有什麼幫助。普化教材是基礎中的基礎,如果能一開始就讓學生發現這個章節彼此的關聯性,可以提高學生留在STEM領域中繼續往上學習。

如果學生通過普化上且持續堅持修到普化下學期末,我要求學生做簡短的十分鐘口頭報告,讓學生決定他們自己感到有興趣的化學相關題目,我也鼓勵他們選擇與他們生活息息相關的題目。例如有位較年長的學生便報告他年輕時在原住民保護區內的火力發電廠工作發現的水污染與空氣污染的嚴重問題,剛好就連結到學期剛開始的地球限度議題。另外有學生報告在原住民保護區的牲畜偶爾會得到一些罕見疾病,而這些疾病只發生在原住民保護區的牲畜身上,所以相關的研究與治療方法非常稀缺,於是我便鼓勵學生繼續學習,未來朝向學生設定的生物工程領域前進。另外也有學生提到與原住民文化息息相關的可食用的仙人掌皮約特(peyote)(Horgan, 2017),此仙人掌含皮約特生物鹼,傳統上只有在部落中德高望重的人士可以在祭典中使用皮約特仙人掌與祖靈溝通,在聆聽完學生報告後得知此皮約特生物鹼與神經傳導物質高度相關,於是我便鼓勵學生繼續往此方向前進,持續在大二修有機化學,未來朝向藥物化學領域獲得更多相關知識。

1與表2為近三年我開始在北疆先鋒學院教課的統計數據,包含出席率與平均成績。從平均成績的角度來看,並不容易看出導入系統思考前後的差異,因為學生成績計算方式有多方考量,且基礎化學的平均成績明顯低於普通化學。但從出席率來看,系統思考確實提高學生的上課意願,且從普化下學末學生的課程反饋與口頭告知,70%學生確實明顯提出因為系統思考的緣故,學生更能確定自己未來想走的方向。

1 基礎化學近三年出席率與平均成績。此課程主要以未來志在從事護理人員為主的基礎課程,僅傳授一個學期,許多學生在高中之前從未修習任何化學課程。我的第一年任教(2020秋季與2021春季)為新冠疫情嚴峻期間,必須完全網路授課,且學生若住在偏遠地區,無線網路往往不穩定,故無統計出席率紀錄。


 

 


導入系統思考前

 


導入系統思考後

 


基礎化學

 


2020秋季

 


2021春季

 


2021秋季

 


2022春季

 


2022秋季

 


2023春季

 


出席率(%

 


N/A

 


N/A

 


85

 


84

 


92

 


88

 


平均成績

 


62

 


71

 


67

 


67

 


71

 


61

 

2 普通化學近三年出席率與平均成績。此課程主要以理工背景為主,分上下兩個學期,有部分學生在高中之前曾經修習過一至兩學期化學課程。亞利桑那州規定普化上擋普化下,故可預期學生春季出席率與平均成績高於秋季。我的第一年任教(2020秋季與2021春季)為新冠疫情嚴峻期間,必須完全網路授課,且學生若住在偏遠地區,無線網路往往不穩定,故無統計出席率紀錄。


 

 


導入系統思考前

 


導入系統思考後

 


基礎化學

 


2020秋季

 


2021春季

 


2021秋季

 


2022春季

 


2022秋季

 


2023春季

 


出席率(%

 


N/A

 


N/A

 


87

 


94

 


94

 


96

 


平均成績

 


68

 


76

 


74

 


81

 


72

 


82

 

n  結語或結論

    在嘗試使用系統思考的方式在普化教學的兩年內,我花費不少時間了解當地文化,並且盡量與學生聊到他們的文化,我也樂於了解對於我而言非常陌生的美洲原住民文化,然後在課程中做調整。我的學生中也有非原住民,他們也樂意聆聽不同的文化,然後了解到學習STEM與文化、族群的關聯,主要重點在於尋找學生自己的學習動機,讓學習更有意義,而非僅是因為普化是許多理工相關科系的必修課程所以才來修普化。

n  參考文獻

Rockström, J. (2009). A safe operating space for humanity. Nature, 461(7263), 472-475. https://doi.org/10.1038/461472a

Planetary Boundaries – KCVS (n.d.). Retrieved October 14, 2023, from https://planetaryboundaries.kcvs.ca/

Armao, M. (2023, August 30). The long tail of toxic emissions on the Navajo Nation. High Country News. Retrieved from https://www.hcn.org/issues/55.9/pollution-the-long-tail-of-toxic-emissions-on-the-navajo-nation

Decenti, A. D. (2022, July 12). Navajo residents seek ‘just and equitable’ help after closure of power plant, coal mine. Arizona Central. Retrieved from https://www.azcentral.com/story/news/local/arizona/2022/07/12/navajo-generating-station-closure-hurt-communities-residents-say/10027935002/

Horgan, J. (2017, July 5). Tripping on peyote in Navajo Nation. Scientific American.
Retrieved from
https://blogs.scientificamerican.com/cross-check/tripping-on-peyote-in-navajo-nation/


[1] 本文作者汪俊宏,英文名字為Chun-Hung Wang,目前任職亞利桑那州(Arizona,北疆先鋒學院科學系

禁止化學武器公約》加入高中化學課程內容之倡議

周金城

國立臺北教育大學自然科學教育學系

[email protected]

n  前言

第九屆亞洲化學教育研討於2023728-30日在馬來西亞古晉舉辦,作者很高興有機會參與本次的研討會。第八屆亞洲化學教育研討是20197月在臺北舉辨,後來因為新冠肺炎疫情爆發,原本預定於20217月舉辦的延後到2023年辦理。

第一天上午的大會演講是邀請馬來西亞大學SETM教育中心的Mohd Jamil Maah 教授,他的演講主題是「提高意識:化學品的多重使用和化學武器公約」
(Raising Awareness: Multiple Uses of Chemicals & Chemical Weapons Conventions)
他同時也是位於荷蘭海牙的「禁止化學武器組織(Organization for Prohibition of Chemical Weapons, OPCW)下的「教育及外聯諮詢委員會(Advisory Board for Education and Outreach, ABEO)的委員。

Maah(2023)大會演講報告內容摘要如下:「主要是說明化學品在生活隨處可見,在大多數情況下,化學被用來改善人類和地球的生活品質,但有時工業化學品可用於製造化學戰劑。而《化學武器公約》就是為了在監測和防止化學武器的發展。為了確保正確使用化學和化學品,我們必須制定並遵守嚴格的行為準則,為道德科學發展制定指導方針。ABEO是禁止化學武器組織下的一個單位,專門負責通過為學生、教育工作者、民間社會和政策制定者提供教育材料,加強對禁止化學武器組織工作和任務的理解。化學教育工作者的協助作用是讓禁止化學武器組織任務成功的關鍵因素」。

    此篇報告主題引起作者的興趣,由於作者多次參加國際性化學教育研討會時,都有看到過這個組織的相關宣傳文件,但從未進一步了解這個組織,因此將藉由本篇文章來簡介這個組織與化學教育的相關性,做為大家未來在化學教學的參考內容。

      clip_image002clip_image004

圖1 Mohd Jamil Maah教授(圖左) 與演講資料(圖右)

n  簡介禁止化學武器公約(CWC)與禁止化學武器組織(OPCW)

《禁止化學武器公約》(Chemical Weapons Convention, CWC, 1997),經第47屆聯合國大會通過並1993年簽屬,於1997429日正式生效的。公約全文有24條,其第八條是規定建立OPCW國際組織,總部設於荷蘭的海牙。

OPCW的主要職責和功能摘要如下:

1. 化學武器摧毀:OPCW協助加盟國安全地、有效地銷毀其存有的化學武器庫存。這包括提供技術援助和監察摧毀程序。

2.防止非法化學武器的製造和擴散:OPCW通過監督加盟國的化學工業活動,確保沒有非法製造和擴散化學武器的行為。

3. 監督禁止化學武器公約的實施:OPCW負責確保各加盟國遵守《禁止化學武器公約》的規定,並通報、審查各國的化學武器程序和設施。

4. 藉由國際合作促進化學的和平利用: OPCW提供技術援助和培訓,以協助加盟國建立符合公約標準的化學工業設施,同時確保這些設施不用於製造化學武器。

5. 確保安全準備工作: OPCW幫助締約國保護自己和人民免受化學武器可能被用來對付他們的可能性。在必要時獲得援助,以建立其應對使用化學武器的國家能力。

6. 進行調查:當被指控使用化學武器時,OPCW有權進行調查,確認是否發生了違反《禁止化學武器公約》的行為。

    1997年正式設立OPCW組織,主要是來推動、監督和執行CWC的實施,旨在全面禁止和消除化學武器的開發、生產、儲存和使用。由於化學武器的危害甚鉅,且影響的時間甚長,因此藉由制定CWC公約,並由OPCW來落實公約的執行。目前根據OPCW網站資料,全球有193個國家加入此公約,全球有98%人口是在CWC公約的保護之下。

n  OPCW下教育及外聯諮詢委員會(ABEO)的教育任務

教育及外聯諮詢委員會(ABEO)主要工作是為學生、教育工作者、民間社會和政策制定者提供教材,以增進對禁止化學武器組織的工作和任務之理解。OPCW網站上有提供給高中學生的《Chemistry in Conflict(衝突中的化學)52頁的電子書,其中第二章Becoming a chemistry ethics teacher (Clark et al., 2018, p21)中有建議可以先讓學生看OPCW也拍攝一部17分鐘上傳到YouTube的影片「A Teacher’s
Mission
」,這影片說明化學教師在課堂上不僅僅只是教學生分子和元素週期表的重要性,藉由德國化學家哈伯Fritz Haber的故事,讓學生反思化學的歷史與道德,以及CWC的重要性(Organization for the Prohibition of Chemical Weapons, 2016)。當學生看完後,可以再和學生討論的六個問題。作者將書中問題翻譯如下:

1. 為什麼要先研發化學武器?

2. 化學武器在第一次世界大戰中扮演了哪些重要角色?

3. 發展化學武器有什麼好處?

4.為什麼化學教學很重要?為什麼教導化學史和倫理學很重要?

5. 德國科學家/化學家哈伯(Fritz Haber)面臨哪些「爭鬥」(battles)

6. 禁止化學武器組織發揮什麼作用?

這是一個由化學學科出發到社會、環境與道德的議題,很適合讓高中學生多了解相關議題,也能建立化學家除了化學研究,讓學生思考化學家對整個環境與社會的責任。

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圖2 衝突中的化學一書封面               圖3 衝突中的化學一書目錄

除了上述的書籍,ABEO還有提供線上學習課程,有興趣的教師與學生可以到網站上登入註冊使用。除此,網站上也介紹OPCW所制定的《海牙道德標準》The Hague Ethical Guidelines,,是為了促進化學科學中負責任的行為文化並防止濫用化學,來自世界各地的化學相關專業人員根據《化學武器公約》制定了一套道德準則(Organization for the Prohibition of Chemical Weapons, 2015)其「海牙道德標準」內容摘要如下:

1. 關鍵要素(The Key Elements):化學領域的成果應該用於造福人類和保護環境。

2. 永續性(Sustainability):化學從業人員對促進和實現聯合國可持續發展目標負有特殊責任,即在不損害後代子孫的需求情況下滿足當代需求。

3. 教育(Education):制式和非制式教育的提供者、企業、工業界和民間社會應合作,為從事化學工作的任何人和其他人提供必要的知識和工具,以便為造福人類、保護環境,並確保與大眾能進行相關和有意義的參與。

4. 意識和參與(Awareness and Engagement):教師、化學從業人員和政策制定者應瞭解化學品的多種用途,特別是將其用作化學武器或其前驅物。它們應促進化學品的和平應用,並努力防止任何濫用化學品、科學知識、工具和技術的行為,以及研究和創新中任何有害或不道德的發展。它們應宣傳有關國家和國際法律、條例、政策和做法的有關資訊。

5. 道德(Ethics):為了充分應對社會挑戰,教育、研究和創新必須尊重基本權利並採用最高的道德標準。倫理學應被視為確保科學高品質結果的一種方式。

6. 安全保障(Safety and Security):化學從業人員者應促進科學技術有益的應用、使用和發展,同時鼓勵和保持強大的安全、健康和保障文化。

7.問責(Accountability):化學從業人員有責任確保化學品、設備和設施免受盜竊和轉移,不用於非法、有害或破壞性目的。這些人應瞭解有關化學品製造和使用的適用法律和法規,並應向有關當局報告任何濫用化學品、科學知識、設備和設施的行為。

8. 監督(Oversight):監督其他化學從業人員者負有額外的責任,以確保這些人不將化學品、設備和設施用於非法、有害或破壞性目的。

9. 資訊交流(Exchange of Information):化學從業人員應促進交流與和平目的化學的發展和應用有關的科學和技術資訊。

上述的這些內容是有必要對未來將投入化學專業領域的學生有更多的說明,尤其近年來國內化學專業人員進行非法行例如製毒等的新聞時有所見,因此化學從業人員的道德標準應該要更加重視。

n  臺灣因應「禁止化學武器公約」所盡的國際義務

OPCW的工作得到國際社會的廣泛支持,並且它的努力有助於促進全球的安全與穩定,防止化學武器對人類和環境造成威脅。雖然臺灣不是CWC締約國,但臺灣仍遵守國際義務,於國內制定相關法規。作者查詢全國法規資料庫中和「禁止化學武器公約」有關的法條,最早是於199962日公佈「禁止化學武器公約相關化學物質生產管理辦法」,節錄其中幾條於下:

1條 為執行聯合國禁止化學武器公約相關化學物質之生產管理,特訂定本辦法。

4條 本辦法所稱禁止化學武器公約,指聯合國於一九九七年四月二十九日生效實施之禁止化學武器之開發、製造、加工、儲存、使用及其銷毀之公約。

5條 本辦法規定之禁止化學武器公約相關化學物質,分為甲類、乙類、丙類及丁類相關化學物質。前項各類化學物質之項目、名稱及數量,由主管機關參照聯合國禁止化學武器公約執行機構之規定公告之。

此辦法於200159日廢止。於20101110日又發布「禁止化學武器公約相關化學物質申報辦法」,節錄其中幾條於下:

2 本辦法適用於從事禁止化學武器公約相關化學物質之製造、加工、使用、儲存或移轉,且數量達一定門檻值之工廠。

3 本辦法所稱化學物質分為甲類、乙類及丙類,其種類及門檻值如附表一及附表二。

其中條文所指附表一是「各類化學物質表」中的涉及的化學品甲類有12項、乙類有14項、丙類有17項三類,每一類又分成有毒化學品與前驅物兩大項。附表二「各類化學物質申報門檻值」,則是規定工廠每年製造單一之甲類化學物質數量超過1百公克;乙類化學物質數量則依化學品不同而異,由每年一公斤到每年一公噸都有;丙類化學物質數量則是每年一公噸以上要申報。

這裡舉例幾項大家比較知道的化學品來說明,例如:甲氟膦酸異丙酯 (沙林)是屬於表一中的甲類有毒物質,表二規範甲類每年製造過100克就需要申報,所以可知這類物品的毒性與危害程度是較高的。再例如光氣(COCl2) 可以直接作為化學武器,也是許多合法的有機化合物製造的原料,它是屬於表一中丙類的有毒物質,表二規範丙類每年製造過1公噸需要申報。

由於申報化學品的種類複雜,有興趣的讀者可以下載法規的附檔來加以研究。這裡談論的目的在於危險的化學品需要加以監督與管制,才能確保被使用在合法安全的環境,避免被不當使用製作成恐怖的化學武器。

n  學校化學教育可由禁止化學武器公約談化學倫理的議題

根據前述說明可知,在高中化學教育中加入《禁止化學武器公約》的討論,將會是一個有意義的主題,能幫助學生理解化學技術對倫理和社會影響。以下是一些可能的教學方法和資源建議:

1. 基礎知識介紹:可以提供學生一些基礎的背景知識,包括化學武器的定義、危害,以及為什麼有必要進行國際合作來禁止這些武器的使用。

2. 公約的重要性:強調CWC的目標和重要性,即禁止和消除化學武器的製造、擴散和使用。這可以通過實際案例、歷史事件或模擬活動來說明。

3. 禁止化學武器組織的角色:介紹OPCW作為負責監督CWC實施的組織,談論它的使命、職責和執行過程。

4. 倫理和社會影響:討論化學武器的使用對人類和環境的危害,並引導學生思考有關科學和技術的倫理問題,以及化學的應用如何影響社會。

5. 相關活動和案例研究:引導學生參與相關活動,如模擬會議、辯論,或進行與CWC相關的案例研究,這有助於提高他們的參與度並深入了解這一主題。

6.使用多媒體資源:利用影片、圖片和互動式資源來輔助教學,使學生更容易理解化學與社會、環境和倫理之間等複雜的概念。

7. 鼓勵討論和思考:在課堂上鼓勵學生提問、發表意見,並與同學進行討論化學與生活之間的問題,這有助於培養他們的批判性思維和問題解決能力。

藉由上述的教學方式,高中學生將能夠更全面地了解禁止化學武器公約的意義,並將其融入他們對化學技術與社會發展的脈絡中。

n  結語

撰寫此文也讓作者對OPCW組織有了較多的認識,也推薦ABEO網站教材可以在化學教學中使用。本文建議在高中化學課程加入此相關內容,尤其哈伯法製氨剛好是高中化學的課程內容,但這背後的科學歷史與道德問題卻是相當的複雜,值得讓學生深入討論。ABEO的目標是要推廣更多人對OPCW的認識,而作者自費參與於馬來西亞第九屆亞洲化學教育研討,聆聽大會演講Maah教授介紹OPCW後,撰寫此文介紹給國內化學教師多加關注,也是盡化學教育工作者的一份心力,希望未來高中化學課程中能加入此主題的介紹,當這些學生之中未來成為化學從業人員時,能克盡自己對社會與環境的責任。

n  參考文獻

禁止化學武器公約相關化學物質申報辦法,經濟部。20101110日頒布,20231207下載自全國法規資料庫,網址: https://law.moj.gov.tw/LawClass/LawAll.aspx?PCODE=J0030112

禁止化學武器公約相關化學物質生產管理辦法,經濟部。200962日頒布,201159日廢止。20231207下載自全國法規資料庫,網址: https://law.moj.gov.tw/LawClass/LawHistory.aspx?pcode=J0030053

Chemical Weapons Convention. (1997). Retrieved from https://www.opcw.org/chemical-weapons-convention

Clark, F., van Daalen, H., Howland, I., de Vries, H., & Juurlink, L. (2018).
Chemistry in Conflict—An OPCW educational module. The Hague: OPCW. Website
https://www.opcw.org/chemistry-conflict-workbook

Maah, M. J. (2023). Raising awareness: Multiple uses of chemicals & chemical weapons
conventions. 9th Network of Inter-Asian Chemistry Educators Conference,
Souvenir Programme & Abstracts, 2023/7/28-30, website
https://www.9nice2023.org/

Organization for the Prohibition of Chemical Weapons. (2015). The Hague Ethical Guidelines. Retrieved from https://www.opcw.org/hague-ethical-guidelines

Organization for the Prohibition of Chemical Weapons. (2016). A Teacher’s Mission. YouTube. https://www.youtube.com/watch?v=GuraSJYEx4Y 

啟發與交流:参加第九屆亞洲化學教育國際研討會的收穫 ∕ 連經憶

星期三 , 6, 12 月 2023 在〈啟發與交流:参加第九屆亞洲化學教育國際研討會的收穫 ∕ 連經憶〉中留言功能已關閉

啟發與交流:参加第九屆亞洲化學教育國際研討會的收穫

連經憶

國立嘉義大學應用化學系
[email protected]

 

n  初體驗認識亞洲化學教育國際研討會

今年三月底收到邱美虹教授的邀請,孤陋寡聞的我第一次聽到亞洲化學教育國際研討會(Network of Inter-Asian Chemical Educators(NICE) Conference),原本以為是近年才開始新的化學教育研討會,經邱教授說明,才知道這已是行之多年、二年一次連結大學教授和中學教師的研討會,原定去年辦理,但因疫情之故延至今年。今年72830日在馬來西亞古晉市辦理的NICE 國際研討會是第九屆,距離2006第一屆在韓國首爾舉辦的NICE會議已過了17個年頭。非常榮幸能有機會代表台灣参加此次的盛會,剛接到這個任務時,也著實猶豫了一下,大學或念博士班期間從未修過任何一門與教育有關的理論課程,在這樣的狀況下,不知是否能言之有物地分享教學經驗?雖然已教授多年大學化學課程,當初只憑著自己的想法、参考就學期間老師們的做法便趕鴨子上架站上了講台,每每上早上8點或中午過後的第一堂課,看著台下一雙雙的瞇瞇眼,心中不免開始思考,大學教師其實也應該要接受教學的專業訓練。

参加過NICE國際研討會後,深深體會到這一個非常特別且有特色的研討會。研討會從727日晚間開始,到730日中午結束。第一天晚上是歡迎晚會,第三天大會安排了實蒙谷野生保育心中及婆羅洲文化博物館的参訪活動,其他時間則有大會演講、口頭報告及海報論文發表。参加的成員主要來自日本、韓國、新加坡、台灣及馬來西亞等亞洲國家,還有少數來自印度,教育制度不盡相同,但對教育本質的認知及期待相仿。参加人數與大型研討會相比不算太多,但参加人員對化學教育都極為投入,彼此間的聯繫及交流頻繁,除了研討會中口頭報告時的專業學術交流外,更重要地還有充份的海報論文發表時間,海報張貼時間從研討會正式開始的第一天到會議結束,讓與會學者專家可以延伸熱絡的討論。

NICE國際研討會的另一大特色是鼓勵國中、高中教師及高中生的参與。國高中化學教師以口頭報告或海報的方式分享教案及教學經驗,高中生参與海報發表及工作坊,這樣的作法在其他國際研討會中較不常見,來自各國的高中生將專題研究的成果以海報的方式呈現,當然也需要在特定的時間解說及回答問題,這樣的海報發表有效地激勵學生從高中開始學習如何進行研究,培養學生溝通及表達的能力。當老師們在聆聽口頭報告時,大會很貼心地安排高中生参加專為學生設計的「Young Ambassadors for Chemistry (YAC)」的活動,由廈門大學馬來西亞分校Yvonne Choo(朱舜藍)助理教授,及來自印度與馬來西亞的老師帶著學生做實驗。

n  研討會見聞

一、設計適合小學生操作的化學實驗

        這次會議中我参與的是口頭發表,以過去數年執行國科會科學普及化計畫,辦理嘉義地區各級學校科學闖關活動為主軸進行經驗分享。嘉義縣幅員廣大靠山面海,有許多迷你的小學校,為了能讓學生享有與市區學校學生相同的科學資源,在國科會的支持下,每年都設計超過10個以上的科學關卡,同時準備實驗所需的耗材,讓参加計畫的學校可以方便地在各校辦理科學闖關活動。因参與計畫的學校以小學居多,如何設計出適合小學生操作的化學實驗是這次報告的重點。

        國小自然科學中與化學相關的主題有酸鹼、水與水溶液、溶解、電解質、物質的變化等,最常做的包括測水溶液的導電度、觀察指示劑變色及自製肥皂等實驗,雖然教師們有相關的教學經驗,但實驗需要準備化學藥品,還是比物理實驗麻煩一點,而且還怕學生會打翻試劑,不好清理,如何利用日常生活中方便取得的試劑,設計出有趣又安全的化學實驗十分重要。為了設計出適合闖關活動的化學實驗,針對以上問題可以有下列的做法:

1. 以學生的生活經驗為依據,設計出有顏色、狀態、形狀或聲音變化的實驗,吸引學生對學習科學的興趣。例如可以利用市售的碘液及澱粉溶液測量瓶裝果汁中維他命C含量,在這個滴定的實驗中,學生藉由計算所加入碘液的滴數,比較不同品牌果汁中維他命C含量,達終點時反應混合物會有明顯的顏色變化。

2.如需要用到酸或鹼時,盡量以小蘇打粉、肥皂水、食醋、檸檬、檸檬酸等取代氫氧化鈉或鹽酸,確保實驗時的安全性,如果需要使用強酸或強鹼,例如以百里酚酞溶液做成隱形墨水,需要氫氧化鈉溶液讓字現型時,可以在裝有氫氧化鈉溶液的塑膠瓶中加入棉花,讓棉花吸收溶液,以免瓶子翻倒,鹼性溶液潑出。

3.進行微型實驗,使用能產生變化最少量的試劑。目前設計讓小學生可以操作的化學實驗,所使用化學試劑的量較多,如果能降低實驗時化學試劑使用量,不但可以減少不必要的浪費,同時也是對環境友善、符合綠色化學原則的做法,更重要的是增加實驗的安全性。例如利用微量離心管當成反應容器,可以控制試劑的用量在1毫升以內;利用一元錢幣進行氧化還原反應可以將硝酸銀的用量降到約0.15毫升(1)。如果没有微量離心管,可以利用白色湯匙進行反應,雖然看起來比用三角燒瓶或燒杯來的不專業,但易於觀察且可以有效地減少試劑的用量。

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1:利用微量離心管、硬幣或湯匙做為反應容器,降低試劑的用量

4. 將試劑裝在醬料瓶或點眼瓶中避免打翻且方便使用。

5. 將抽象的概念視覺化,讓學生容易了解。例如,奈米、濃度對學生而言是抽象的,當物質小到奈米的尺寸時,與塊材相比會有不同的特性,因此奈米材料是目前科學研究重要的領域。為了要介紹什麼是奈米粒子,可以準備大小不同的球及圖片,讓學生選選看,比較奈米與公尺間的差異(2)。在介紹濃度方面,可以將黑芝麻當成溶質,白砂當成溶劑,讓學生「看見」不同濃度的混合物,建立濃度的概念(2)

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2:利用圖片、球、黑芝麻、白砂等物質將抽象的概念具體化

二、利用學習站的方式學習氧化還原反應(Study Redox Reactions Through Learning Stations)

        這是馬來西亞霹靂州怡保市文東國立高中(SMK Buntong, Ipoh, Perak, Malaysia)Wong Choy Wan老師口頭報的內容(Wan, 2023)Wong老師利用了「學習站(Learning Station)」的教學方法教授化學中較不易理解的主題。2019Wong老師International Journal of Academic Research in Progressive Education and Development期刋發表論文,設計了6個學習站,每一學習站利用影片、文字敍述、拼圖及動手操作等不同的策略,讓學生了解鹼金族及鹵素的物理及化學性質(Wan, 2019)。教學回饋結果顯示,高達88.89%的學生認為學習站的教學模式較容易使人了解新的概念,讓學習更加有趣。

        「學習站」用通俗一點的名詞就是「跑台」,是生物實驗課常用的考試方法,老師事先將題目及所需要的樣品放在桌子上,每一題目有30秒的作答時間,時間到了就要換到下一張桌子,回答另一個題目,「學習站」可以說是「跑台」的延伸加強版,這次的會議中Wong老師分享了氧化還原反應之教學成效。氧化還原反應被認為是較困難的主題,初學者要建立氧化還原反應的觀念,需要費一翻工夫弄清楚其間的關係,有了之前的成功經驗,Wong老師設計了3個學習站,讓學生了解什麼是氧化還原反應,學習寫出對應之離子反應方程式。學生們分組進行,每組花15分鐘的時間完成在這個學習站中所需要完成的任務,掃瞄QR code回答問題或上傳結果。為了能順利完成任務,學生需事先閱讀相關資料、看錄影帶、搜尋資料、或回答問題,在學習站學習的過程中,學生可以記錄學習成果、上傳以利教師評估。學生的回饋顯示,88.88%的學生認為「學習站」的學習模式可以增加對氧化還原反應的理解,教學時間可以從3小時減為1小時,藉由設計規畫每一學習站中的內容,可以讓教學時間達到最適化,學習也變得更有趣。Wong老師已成功地將「學習站」應用在不同的主題,日後還可以擴大這樣的學習模式,讓學生以這樣的模式學習更多重要的化學概念。

n  啟發與交流

一、啟發

        把化學教好,讓學生了解課程內容是所有化學老師努力的目標,除了專業需要精進外,教學方法也要與時俱進,但大學端的教學往往較注重知識傳遞,教學方法則依循傳統模式,這樣的教學方法並非不妥,如能變化教學方法,也許能讓學生耳目一新,更願意專注於聽講。在這個研討會中給我的第一個啟發,就是教學方法的改進利用學習站的模式進行教學,當聽到Wong Choy Wan老師的經驗談,心中昇起一念頭,這樣的教法是否也能用在儀器分析實驗課程中?

        儀器分析正課及實驗是化學系大學部重要的課程,儀器分析說明各項分析儀器的原理及應用,實驗課則讓學生操作這些儀器,例如氣相層析儀、液相層析儀,紅外線光儀等。與古典分析實驗相比,儀器分析實驗所用的儀器較為昂貴,能供學生使用的台數十分有限,大多都是每種儀器一台,學生必需分組輪流操作,如果每組人數比較多,常常有學生只能作壁上觀,看著同學操作了。除此之外,儀器維修不緊所費不貲,且耗費時間,為了確保儀器能正常運作、實驗課程順利進行,通常需要多位助教或資深的學生協助。上述是許多大學儀器分析實驗課面臨的問題,如何在設備有限的狀況下確保學生學習成效是需要好好思考的,也許學習站式的教學模式可以解決這些問題。以高效液相層析實驗為例,可將操作分成數個部份,每一部份設計成一個學習站,如移動相過濾、樣品製備、儀器介紹、上機、數據處理、及問題排除等,每一單元有明確的學習目標及需完成的任務。學習站利用影片、網站資訊或文字敍述說明學習的內容,過程中可以讓學生預習後以google表單回答問題、現場觀看後照著操作、或回答情境式問題,學習時善用手機、網路甚至人工智慧等產品,讓學習更加貼近學生的生活經驗,提高學習的成效。

二、交流

        亞洲化學教育國際研討會除了提供教師間彼此之交流外,高中生的参與是與其他研討會很不一樣的地方,就如同周金城教授及鍾曉蘭老師2019年在臺灣化學教育期刋發表的論文中提到(周金城、鍾曉蘭, 2019),會議中的高中生参訪活動讓高中生變成主角。在這次的會議中,我看見了高中生在發表時落落大方的態度、侃侃而談的表現及來自台灣、日本及馬來西亞年輕學子間的交流,這應該要歸功於協會在2009年第三屆會議時加入了高中参訪活動,以及大會對此次議程的用心安排。提早讓學生在高中時代就有實質的發表及國際交流經驗,擴大學生的視野。第一天晚上的歡迎接待會上,遇到了來自東京學藝大學附屬高中(Tokyo Gakugei University Senior High School)的學生Hana Hachigoh,原來她也是海報論文的發表者,這讓我注意到了高中生的参與,除了以海報的方式發表研究結果外,大會還安排了與會學生與當地高中生一起做實驗的活動,再加上實蒙谷野生保育心中及婆羅洲文化博物館的参訪活動,讓年齡相仿的學生們打成一片,強化了彼此間在專業及文化方面的交流,讓學生們有了知識性的談話及融洽、美好生活經驗的分享。

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3高中生参與工作坊活動

n  結語

三天的會議很快地就過去了,這是一個非常特別的國際研討會,會議規模不算大,但是非常專業又温韾的研討會,令人印象深刻,專業」及「温韾」這二個差異很大的特質完美地融合在會議中。「專業」無庸置疑是提供在各階段從事化學教學的老師們有發表及分享教學內容的平台,還有來自高中端學生的参與,讓各國教師有機會認識不同國家在化學教育方面不同的體制及作法;「温韾」則來自於教師鼓勵學生的本質,及讓化學變的更有趣以提昇學生學習成效的初心,因此在會議中彼此可以暢所欲言,無私地分享,達到充分流換意見的目的。在會議中看到高中學生的参與及表現,讓我了解到國際交流經驗對學生的啟發及影響,亞洲化學教育國際研討會是一個非常值得鼓勵高中教師及學生参與的國際會議,嘉義在地也有熱心的化學教師、校長及行政團隊,除了正規的教學外,積極地引導學生参與科普活動,藉以提昇學生在學習化學及科學方面的與趣及自信,再加上108課綱中的探究與實作課程讓學生開始學習專題研究,因此師生們需要舞台展現研究成果。還好今年有幸参與這個盛會,日後有機會一定要讓嘉義地區的化學教師群及高中生們認識這個會議,二年後第十屆NICE國際會議將在日本舉行,希望到時能有嘉義地區的高中代表出席。

n  參考文獻

周金城、鍾曉蘭(2019)。第八屆亞洲化學教育研討會之高中参訪活動讓高中生變成主角。臺灣化學教育33。網址:http://chemed.chemistry.org.tw/?p=35127

Wan, W. C. (2023). Study redox reactions through learning stations. The Souvenir Programme and Abstracts, the 9th Network of Inter-Asian Chemistry Educators [9NICE] Conference. 29.

Wan, W. C. (2019). Alkali metals and halogens through learning stations. International
Journal of Academic Research in Progressive Education and Development
, 8(3), 316-324.

9thNICE-愛上砂勞越的多變與驚奇 / 廖旭茂

星期二 , 5, 12 月 2023 在〈9thNICE-愛上砂勞越的多變與驚奇 / 廖旭茂〉中留言功能已關閉

9thNICE-愛上砂勞越的多變與驚奇

廖旭茂1, 2

1台中市立大甲高級中等學校

2教育部高中化學學科中心

[email protected]

 

n  前言

    坐在庭院裡,細品著砂勞越的Liberica,沈浸在滿園的芬芳裡,緩緩回想古晉之旅,接下來將依時序,記下這趟旅程驚喜的點….

    很開心能夠與國立臺灣師範大學科學教育研究所的邱美虹教授、國立台北教育大學周金城教授及學科中心伙伴,一起參加了2023年七月底在馬來西亞沙勞越州古晉市舉辦的第九屆亞洲化學教育研討會(9th Conference on Network for Inter-Asian Chemistry Educators, 9th NICE Conference),大會中除了筆者分享的微型電磁攪拌模組體驗工作坊Workshop外,另外還有一場由來自印度的Uday Maitra教授分享,主題為「Chemistry is Fun」的化學演示工作坊Workshop,以及包含9個實驗的體驗攤位(名為年輕化學大使Young Ambassadors for Chemistry, 簡稱為 YAC)。趁記憶猶新之時,將參與的內容,記錄下來,跟大家分享。

n  工作坊之前

    每次出國參加研討會在工作坊上分享自己新研發的教學輔助工具,看到參加者打開紙盒時驚喜的又感激的表情,哪一瞬間是個人最有成就感、最開心的時刻;但出國之前的製作工作,包括一品質的要求、謹慎安全的材料、工序調整再調整;其中最痛苦的是進出海關時的忐忑什麼需要帶?什麼該帶?什麼可以帶?在「守法」、「不引起糾紛」與「活動精采度」各股強力的壓縮下,取捨之間,戰戰兢兢,戒慎恐懼,不足為外人道。古晉此行,已經是第二回到訪,現實條件是台北沒有直飛航班,因此過程需要轉機,而總里程時數超過8小時,因此拖著沉重行李上上下下肯定不方便,考量購物方便性,需要臨機應變的地方應該少不了,因此評估後決定先將器材模組製作完成,寄送到主辦單位指定的官方飯店;再連絡主辦方獲得許可後,開始一連串準備工作:首先完成25組的電磁攪拌器主體製作工作,再將滴定模組零件分裝進袋,隨後用發泡塑膠安穩包覆,模組再置於開模的牛皮紙盒內;25組模組再緊湊地排放在一個大紙箱內,縫隙間填塞發泡材料,將2600公里配送的顛頗損害調最低。快遞配送出乎意料的快,一個星期內抵達官方飯店。下圖是此次研討會分享的教具

n  7/25 出發

第二次到古晉,依舊在沙巴轉機,提領行李,重新登機,還好同行的夥伴引領,兩個小時的轉機時間,雖倉促也順利轉機,到達古晉已經傍晚。在機場有伙伴事先在台灣下載Grab APP、認證,預約叫車相當便宜、方便,到Roxy Hotel飯店大概折合台幣不到80元。到飯店漱洗後,一群人一起走路出門,古晉市的紅綠燈出奇的少,車流繁忙,要過馬路需要靠勇氣與智慧,一番糾結後,總算抵達對面的肉骨茶名店,飽餐一頓。由於Roxy 飯店不在鬧區,之後出門也多倚賴Grab

n  7/26咖啡故事館的午后邂逅

    這一天是完全空檔,大夥安排了各式各樣的旅遊活動,適逢古晉節,城區砂勞越河畔聚集相當多的人潮,美虹教授、金城教授與曉倩家一起行動,上午我們先去熟悉的地方換錢,逛了逛城區、河畔與印度街,買了頂遮陽帽子與椰棗。

下午則預約參加黑豆子咖啡故事館(Black Bean Coffee &Tea Tabuan Desa Shop)導覽,自己與莊園的鄭老闆素昧平生,只因2016年曾經來古晉參加第24屆國際化學教育研討會(International Conference on Chemistry Education, 簡稱為ICCE),造訪過咖啡館,與一大群夥伴品嘗過鄭老闆的好咖啡,在「吃好道相報」下,此行前先透過臉書聯絡,除預購咖啡豆外,並造訪他們另一家店咖啡故事館。故事館準備了豐盛的南洋甜點來迎接我們,配上砂勞越特有咖啡—LIBERICA,咖啡的歷史娓娓道來;3支手沖咖啡豆輪流上場,空氣中飄散的果香、杏仁堅果氣味與巧克力風味,讓人沉醉其中;言談中才知道,鄭老闆曾經到高雄工專就讀,老闆娘也是高雄工專的在地人,這一層緣分的加持,不僅2600公里外的疏離煙消雲散,動人言語在咀嚼間忘卻了時間的流淌….. 自己也分享臺灣帶來的杉林溪的碳焙烏龍,為良善的交流劃下友好的句點。下圖為交流過程的畫面。

clip_image0032:咖啡故事館午后的交流畫面

晚上砂勞越河畔有各種裝扮的花船遊行預演,趁著夕陽返回砂勞越河畔,搭上交通船,海風輕拂,熱情動感震耳的音樂,河面、船身與遊客的臉龐上一抹金黃,又是另一種迷人風情。下圖為砂勞越河黃昏美景。

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3黃昏的砂勞越河畔

n  7/27相見歡

正式活動從27日的相見歡晚宴開始,除了寒暄外,也會趁吃飯的機會推銷自己此行帶來的秘寶。研討會在2830日三天舉行,29日為參觀活動,參觀紅毛猩猩保護區與婆羅洲文化博物館Borneo cultural museum,其他為大會研討會活動。大會活動依照內容分為學術性的發表、與符合中學程度的實驗實作;學術性活動,如Keynote, Oral, Poster 都在Imperial Hotel內舉辦;而實驗實作活動(名為年輕化學大使Young Ambassadors for Chemistry, 簡稱為 YAC),則被分配在巴都林當師訓學院Institut Pendidikan Guru Kampus Batu LintangIPG KBL)。因為我準備的分享活動,意外地被安排在第三天YAC的實作Workshop內,所以有比較充裕的時間去走看他人的分享。

n  7/28YAC活動開始

    研討會第一天,筆者自告奮勇去巴都林當學院參加實驗實作YAC活動,此學院為當地培養國小、國中師資的教育學院,成立於1948年,也是馬來西亞27個師訓學院之一,其使命為通過充滿活力的教師發展計劃,培養有能力與有教育家情懷的教師,邁向世界一流的學校教育。此次活動參加的成員主要是古晉當地學校,每一校由一位教師帶領約45名中學生與參加,總共分成10組,額外10位參加研討會的日本、臺灣、韓國老師與學生,分配到各組裡。下圖為巴都林當地教學區。

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4:巴都林當地教學區

    在馬來西亞Institut Kimia的副主席Datin ChM Dr Zuriati Zakaria(也是本次研討會的共同主席)致完詞後開始,首先由廈門大學馬來西亞分校的朱舜蘭教授進行專題演講與整日的活動介紹,題目是化學與永續發展的目標(Chemistry & Sustainable Development Goals),演講完隨後帶入當天YAC實驗實作的主題。當天的實驗實作是圍繞著聯合國SDG永續發展目標而設計的化學實驗;例如SDG6 –目標是潔淨的水與環境衛生(Clean water and Sanitation),安排了三個水質分析相關的實驗;SDG7–目標在於可負擔的永續能源Affordable & clean erergy),主辦委員會安排了太陽能電池的製作與水的電解;SDG9-目標是工業、創新與基礎工業(Industry, Innovation and Infrastructure),安排了材料強度與金屬防腐蝕測試兩個實驗;SDG12-目標是責任消費與生產(Responsible Consumption and Production),安排了生質塑膠的製作;SDG13-目標是氣候行動(Climate Action),安排了生質柴油的製作。所有實驗安排在物理、化學以及生物三間實驗室中,每個實驗室安排23個實驗攤位,由專人講解並引導師生進行實作體驗,10組的師生依組別平均成三團,分配在三間實驗室中,再分組輪流跑攤;每節課60 分鐘,時間一到,整團移駕到下個實驗室。其中生物實驗室安排了三個水質分析相關的實驗攤位;物理實驗室安排了太陽能源、電解水(氫能)、材料分析、金屬防腐蝕測試四個實驗;化學實驗室則安排了生質柴油、生質塑膠兩個實驗。茲將實驗內容對應聯合國SDG目標,整理如下表:

    1SDG目標與實驗對照表


SDG代號

 


目標

 


實驗內容名稱

 


SDG 6

 

生物實驗室

 


潔淨的水與環境衛生

 


l   pH test

 


l   濁度test

 


l   陰陽離子鑑定

 


SDG 7

 

物理實驗室

 


可負擔的永續能源

 


l   染料敏化太陽能電池

 


l   氫能水的電解

 


SDG 9

 

物理實驗室

 


工業、創新與基礎建設

 


l   材料的拉伸試驗

 


l   鐵釘的腐蝕與保護

 


SDG 12

 

化學實驗室

 


責任消費與生產

 


l   生質塑膠的製作玉米澱粉

 


SDG 13

 

化學實驗室

 


氣候行動

 


l   生質柴油的合成回收油

 

    礙於篇幅,本文茲就其中SDG 6-水質分析與SDG 9-材料強度分析與防腐蝕科技兩大項之相關實驗先做介紹,其餘的SDG 7SDG 12SDG 13與綠色能源、氣候相關的實驗,如染料敏化太陽能電池的製作、氫能、生質塑膠的製作、生質柴油的合成,則待下期再詳細介紹。相關分述如下:

1. pH測試:實驗攤位負責老師事先配置pH=1~13 九種不同酸鹼值的廣用指示劑、紫色高麗菜汁與自製的指示劑由學生滴加不同來源的A~D四種未知液到塑膠封套上,並加入不同的指示劑,由三種指示劑的呈色結果,比較、歸納出未知液的pH值範圍。下圖為學生利用已知指示劑測試未知液酸鹼值的過程。clip_image013

5:圖左為紫色高麗菜汁不同pH值下的顏色,圖右未知溶液pH值測試

2. 濁度測試:由本攤老師提供5種水源,以濁度計測試自來水與目視最混濁的水樣的標準濁度讀數(標準濁度單位Nephelometric Turbidity Unit, NTU ),學生自行操作測試另外三種水樣,決定哪一種水樣最乾淨?下圖為濁度測量過程。

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6:圖左為濁度計,圖右為未知溶液濁度值測量

3.  陰陽離子分析:本攤分成陰、陽離子分析兩個部分,陽離子分析部分,首先由負責老師首先提供種數種已知鹽類溶液,如鉀、鉛、鈣、銅、銀、鐵等鹽類,事先分裝在試管中,接著加入34M的氫氧化鈉,觀察哪一管有沉澱發生?沉澱是甚麼顏色?學生可以藉此了解各種陽離子在氫氧根離子中沉澱的情況,與氫氧化物的顏色。隨後再加入6滴的氫氧化鈉,觀察沉澱的變化?
    陰離子部分,由另一位老師提供數種已知鹽類溶液,如溴、氯、碘、碳酸跟、硫酸根等鹽類,事先分裝在試管中,接著加入30.05M的硝酸銀,觀察哪一管有沉澱發生?沉澱是甚麼顏色?學生可以藉此了解各種陰離子在銀離子中沉澱的情況,與銀化物的顏色。最後由老師提供未知液,由同學逐步添加已知溶液,透過溶解度的差異,與沉澱的顏色,在老師的引導下,判斷出未知液中所含離子的身分。下圖為測試流程圖。

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7:攤位提供的陰陽離子分析檢測流程圖

4. 抗拉強度測試:分別取厚紙板、鋁箔、乳膠手套、塑膠袋各1張,按照提供的紙模板,以剪刀剪出模板的形狀,可令同學預測一下哪一種材質抗拉強度最強。接著以麥克筆與尺標示測量的長度I0 ,下圖為測試模板的示意圖。

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8:模板上虛線記號的示意圖

    接著以雙面膠帶黏貼在A端兩側,再以一個燕尾夾夾住B端;隨後取一彈簧秤,朝下掛在桌子底下預先安置的掛鉤,燕尾夾A則勾住彈簧秤的另一端,以手拉住燕尾夾B,觀測彈簧秤上指針的位置與拉伸長度I0 的變化。學生可以手機拍攝影片,記錄整個拉伸過程,隨後上傳網站,https://www.pjl.ucalgary.ca/studentResources/videoAnalysis/pjlVideoAnalysis.html,線上去估算材料的抗拉強度。下圖為實驗操作過程。

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9:不同材質的抗張強度測試

5. 鐵釘的腐蝕與保護:準備5根釘子,每根釘子經不同的前處理,一支塗油漆、一支纏繞鋁箔條、一支纏鎂帶、一支塗佈油脂、另一支是未處理。將五根釘子分別置入五個培養皿中,接著倒入事先配置的熱洋菜膠溶液(內含硝酸鉀KNO3、黃血鹽K4[Fe(CN)6]、酚酞),溶液需完全覆蓋鐵釘,待冷後觀察顏色的變化。下圖為講師解說教學過程。

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10:鐵釘的腐蝕與保護的教學過程

    分組實作的部分學生都很有興趣與投入,遇到不明瞭的地方,跟在一旁的帶隊老師都能及時救援,為學生解答;一天下來三五大項實驗實作活動,師生都覺得收穫滿滿。

n  7/29自然文化之旅

729日大會安排的活動有紅毛猩猩野生保護區與婆羅洲文化博物館的參訪活動(Semenggoh Wildlife Centre & Boneo Cultures Museum),早上因故缺席了保護區紅毛猩猩的參觀活動,下午才搭grab跟大夥到婆羅洲文化博物館參觀。中午空檔到市區華人老街吃飯,順便與偶像貓拍照,並回到老藥行購買青草油。

n  7/30 Workshop上場

    730 日有YAC 2023 Workshop,為搭配閉幕式,舉辦地點移師至Imperial Hotel,跟大會的KeynoteOralPoster Presentation同一場地。工作坊首先登場的是印度科學理工學院(Indian Institute of Science)的Uday Maitra 教授進行的化學演示,主題為「Chemistry is Fun」。Uday教授取出一張事先以水彩筆沾過藥水書寫的橫幅的紙條(推估黃血鹽K4[Fe(CN)6]與硫氰化鉀KSCN兩種溶液依序交替書寫),接著請兩位同學上台將紙張拉開,自己拿著裝有不明溶液的噴瓶(預測是氯化鐵溶液),對著紙張由左而右噴灑,神奇的是紙張立即出現CHEMISTRY IS FUN 藍、紅交替的文字, 此舉立刻博得全場的掌聲。隨後Uday教授演示了碘化鉀催化雙氧水分解的大象牙膏、熱致變色反應、多彩的化學螢光反應等豐富的實驗內容,工作坊內熱鬧滾滾,毫無冷場。下圖為Uday教授精彩的演示過程。

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11Uday教授CHEMISTRY IS FUN 精彩的化學演示

     接下來是筆者分享的工作坊Design and Application of the Mini Stirrer Modules。在臺灣製作了25份的電磁攪拌器模組,於相見歡時將模組分贈給熟識的教授與教師們,邀請他們來參加我的工作坊。活動當天依主辦單位規定到達會場,著實嚇了一大跳,會場座位已有約50位馬來西亞的學生與教師入座,因所剩座位極少,造成熟識的日本和韓國老師無法入內參加工作坊。原本預計分享的對象是國際的教育工作者,現在主要變成馬來西亞的學生與教師。在臺灣化學學科中心夥伴的協調下,將教師的位置調整至前面,依序分發材料後,進行分享。先從設計理念、特色功能,到一步步引導老師進行模組的組裝與操作。活動結束,拍完合照後,總算鬆了一口氣,真心感謝曉倩老師、孟佑老師、映辛老師、金城教授這些夥伴的幫忙。下圖為工作坊過程。

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12:工作坊分享活動合影

閉幕式後,回老街河畔逛逛,接著是古晉候機、飛行、新加坡轉機,再搭要老命的紅眼班機,長途跋涉,終於一大清早回抵國門;加上前一晚火災警報的折騰,回家後昏睡了一天,元氣才漸漸恢復過來。感謝同行的台灣夥伴,海外六天,一起學習、一起同歡、一起冒險,短短六天裡一起留下了難忘的記憶……

高中教師參加第九屆亞洲化學教育會議 (9th NICE)的經過及省思 ∕ 劉曉倩、蔡孟祐

星期一 , 4, 12 月 2023 在〈高中教師參加第九屆亞洲化學教育會議 (9th NICE)的經過及省思 ∕ 劉曉倩、蔡孟祐〉中留言功能已關閉

高中教師參加第九屆亞洲化學教育會議

9th NICE)的經過及省思

劉曉倩1,2 *蔡孟祐1,2

1國立彰化高級中學
2教育部高中化學學科中心
*[email protected]

 

n  給不設限的自己

時間過得好快,參與NICE會議已經有四次經驗(包含這次古晉、東京、首爾及臺北),雖然每一屆在報名前都很掙扎,擔心自己教育專業是否足以參與國際交流?外語能力是否足夠與其他國家教育人士溝通?期間邱美虹教授總是不斷地鼓勵我們,Knowledge in use很重要,透過知識的交流與應用可以看到不同樣貌的自己!於是秉持三不精神「不怕丟臉、不怕失敗、不會放棄」的我再次報名此次國際盛會,投稿海報內容是將自己指導學生做「染敏太陽能電池」的教學經驗轉化成教案海報分享,內容包含指導學生染敏太陽能電池作用原理、實作組裝測試、進階專題研究及科展產出等。相較於以往,今年投稿國際論文的優點是,英文摘要及海報可以使用chat gpt!心得是使用chat gpt雖然方便,但是若是指令不足,翻譯錯誤率很高,因此投稿前準備了近一個月。當投稿英文摘要被大會接受時,心裡很開心!此次同行的化學學科中心夥伴不多,但是在美虹教授帶領下與臺灣幾所大學教授、校長、中學教師及學生一起參與盛會,是個不同組合的全新體驗!會議的主題仍是與SDGs永續發展及環境保護(Chemistry For Sustainable Development &Environmental
Protection
)密切相聯,每個大學教授都有教學策略的口頭報告或教具分享,發表內容與高中化學教育緊密相關,自己受益很多!

n  海報發表與參與心得

一、海報發表前的準備

主題發想起源於2022年基礎科學促進永續發展國際年(IYBSSD)臺灣系列活動中,化學學科中心在各地高中發起永續課程發展設計(全國光照度量測與染敏太陽能電池實作),於是我想將自己指導高中生做「染敏太陽能電池」特色課程及專題課程的經驗統整,與其他國家進行交流。我在染敏電池教學內容很多但是從沒有整理過,整理內容需要耗費很多時間,還好藉由Chat gpt協助統整內容大綱可以省卻許多時間!

首先將歷年指導科展內容摘要及參與高瞻計劃特色課程設計內容大綱整理好,然後上傳chat gpt整好的教學資料,下達指令「我要做學術發表使用,請將上述教學資料梳理成教學過程大綱,包含標題、教學內容摘要、教學方法、教學成果及討論與結論。」,此時chat gpt會整理出一大串文字說明,此時我再將內容刪減成條列式,然後再上傳至chat gpt 下達指令,請「依據內容再濃縮成我想要達到的中文XXX字數」

重複修改數次後,接著將內容先用google英文翻譯,檢視一下英文用字是否有誤(因為化學有專有名詞),我再將英文內容上傳至chat gpt ,下達「我是高中老師,我要參與國際學術發表,請用高中生或12年級生可以懂的英文幫我修正上述內容」。使用 Open AI經驗提醒我,下達「精準的指令」很重要,若是直接讓AI 翻譯英文科展內容當作學術發表,你會發現英文用字遣詞較難甚至拗口,所以必須根據自己的英文能力調整海報發表內容,避免發表者連自己海報都無法理解的窘境。

我在英文摘要上主要呈現引導學生學習染敏太陽能電池的原理及實驗探究的學習經驗,在摘要及海報發表上則是遵循以下結構:

1.標題:解密染敏太陽能電池:啟發學生探索綠能世界的教學之路

2.摘要內容包括以下要點:

1)引言:教師介紹染敏太陽能電池的重要性和應用領域。

2)教學目標:教師明確說明研究的目的,即教導學生學習染敏太陽能電池的過程。

3)教學方法:教師簡要描述所使用的教學方法和學習活動,例如實驗設計、製作過程、觀察和測量。

4)教學成果:概述學生在學習過程中獲得的主要結果和發現。可以提及學生的反應、學習成就以及實際操作染敏太陽能電池的能力。

5)討論:師生對結果進行討論,強調學生對染敏太陽能電池的理解和應用能力的提升。

6)結論:總結教學方法和學習經驗,強調其對學生學習和染敏太陽能電池相關知識的影響。

7)結語:提供師生對未來學習和研究的展望,以及可能的改進方向。

特別注意的是,在摘要中要確保簡潔明瞭,避免過多細節。重點突出教導學生學習染敏太陽能電池的教法和學習經驗以及這些方法和經驗對學生學習成效的影響。

二、海報內容精要

海報內容主要是分享自己從事染敏太陽能電池教學起源、教學過程、教學成果、師生所獲得的收穫及省思,所以在英文海報內容主要分為:引言、教學內容、教學活動、教學成果、討論與結論及未來展望。以植物為師、成本低廉、光能轉化率高的染敏太陽能電池在臺灣發展將近20年,但是臺灣高中生對於染敏太陽能電池的了解不多,主要在於課綱上並未提及,我想藉由教學經驗分享讓國內外教師及高中生可以入門研究,而且染敏太陽能電池作用原理與基礎科學知識息息相關,學生可以學以致用獲得成就感!以下是投稿海報內容概要描述:

1.引言

石化能源即將耗盡,對地球造成了嚴重的危害。因此,我們迫切需要尋找更環保且可持續發展的替代能源。綠色能源已成為全球共識,而太陽能電池是其中最具潛力的能源之一。太陽能電池具有多重優勢,如安全、無噪音、無污染、節省人力資源、長期使用、輕巧和具有經濟效益。染敏太陽能電池雖然穩定性不及傳統太陽能電池,但在成本便宜、室內弱光或半戶外的條件下,其光電轉換效率非常高,甚至可以達到30%(商用太陽能板約為7~17%)。這突顯了染敏太陽能電池在能源應用中的重要性!我們希望藉由探究實作課程引導學生了解染敏太陽能電池組裝、原理及應用範圍,啟發學生探索綠色能源的興趣

2.教學內容:

1)科學內容:

學生學會染敏太陽能電池的基本組裝、原理和操作技巧,運用生活中或校園內的植物樣本,準備進行實驗,同時測量不同植物種類對染敏太陽能電池的電壓和電流變化進行分析,探討植物種類對電壓及電流產生的影響。

2)教學策略:

a. 問題導向學習:引導學生提出可探究的主題與問題,激發他們的好奇心和探究動機。

b. 小組討論:透過實際操作染敏太陽能電池和進行植物實驗,讓學生親身體驗科學的過程。

c. 表達與分享:引導學生分析實驗結果,表達分享可能的結論,鼓勵他們運用科學方法進行問題解決。

3、教學活動:

1)教師做染敏太陽能電池工作原理說明及引導學生做染敏太陽能電池組裝及測試(1)

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            (A)(B)(C

1 紫草(A)、洛神花(B)及蝶豆花(C)測得的電壓測定值(0.655V0.413V0.004V

2)學生收集生活中或校園內的植物樣本(樟樹、臺灣欒樹、玉蘭、桂花及地瓜葉),準備進行管柱層析實驗。

3)學生測量植物管柱層析分離後萃取液組裝染敏太陽能電池的電壓和電流變化(2)
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           2 不同萃取液組裝染敏太陽能電池的電壓變化

4.實驗結果與討論:

師生分析和比較實驗結果,探討色素結構對電壓及電流產生的影響。葉綠素ab結構分析得知,葉綠素b上多出一個醛基,可能有助於提高葉綠素b的極性並協助葉綠素b本身與TiO2的作用甚至形成鍵結,繼而提高電子轉移的效率,提升放電電壓。

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                       3 葉綠素ab結構差異

5. 結論與未來展望

根據實驗數據,學生提出可能的結論,整理出優化染敏太陽能電池的可行性,進一步研究方向。

1)放電電壓值:葉綠素b>葉綠素a>類胡蘿蔔素

2)本研究是以優化染料敏化太陽能電池為研究主題,因為天然葉綠素容易氧化變質且吸收光必須在紫外光範圍才能使用,所以我們以葉綠素為研究雛型,合成人工葉綠素。

3)合成重點在於將結構中加入高立障推電子基團,使電子傳遞更快,提高電壓。同時再接上架橋基使染敏電池可以在可見光的範圍使用,提升光轉成電的效率,試圖製作出高延展性且平價的薄膜太陽能電池,製造過程甚至比以前的電晶體電池便宜,且對於環境更友善, 符合SDGs 7可負擔的潔淨能源。

二、簡報發表過程

今年本來以為只要貼個英文海報,在現場繞個幾圈就可以溜去看其他老師或學生張貼的海報發表。沒想到主辦單位臨時通知有「海報競賽」!作者必須在現場用英文講解,同時有三位評審教授會針對發表內容評分及提問!當天早上聽到大會消息時,心跳頓時漏跳幾拍,陷入孟克的「吶喊」焦慮情緒,但是既然已經「上船」就別怕「暈船」!?看來中午午餐都省了,卯起來與同行夥伴蔡孟祐老師開始口語練習到下午三點。發表時面對教授雖然有些緊張,第七對腦神經與口輪匝肌出現時間差距,還好情緒有穩住,自己的發表作品當然還是自己最熟!首先先想像自己是「候選人」,微笑而且記得呼吸、儘量口齒清晰、與評審教授眼神接觸,自信不失禮貌的手勢,都是可以加分的項目!雖然教授提問時有些恍神,但是還是努力回答出所有想到的答案!海報現場還有來自日本及馬來西亞的教授詢問臺灣課程規劃與高中化學實驗課的安排,他們對於臺灣高中課綱中的「自然探究實作課程」給予高度肯定,同時對於跨科協同實作課程感到好奇,希望可以進一步了解,甚至希望有一天可以到臺灣實際參訪!當然最開心地莫過於我得到The Best Poster(最佳海報獎),可以上台領獎及跟Dr Soon一起合影留念(34)!我想評審教授應該是將競賽者年齡及教學年資都列入加分項目?!但是我不在乎,得獎就是一種肯定,人生中的里程碑,我們沒有辦法掌控生命長短,卻可以決定人生的廣度,我的勇敢值得給自己掌聲,期待自己繼續加油,用好奇及挑戰的眼光來探索世界的美好!

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圖3 榮獲NICE大會頒發最佳海報獎           圖4 NICE大會最佳海報獎證書

n  結語

此行參與NICE會議不免與2016年參與ICCE會議(同樣在古晉舉行)相較,前者無論是口頭發表、海報發表及工作坊,與現階段臺灣中學教育高度相關,大會甚至針對年輕教師或學生都有當地學校實驗室參訪與實作,對於新進老師受益很大。此行特別感謝同行的教授、校長及中學教師相互照顧。疫情後的古晉,大型飯店林立,而且有了Grab叫車,實在太方便了,價格便宜,讓人連走幾步路都懶!但是或許是受疫情的影響,古晉的老街裡傳統特色的手工藝品文創店及咖啡廳都悄然蒸發了,只剩下河岸旁賣觀光客紀念品的雜貨店,而且每家賣的商品都差不多,連古晉最富特色的手工藝串珠都看不出每家店的差異性,十分可惜!回想此行最難忘的當然是因為口頭發表而與馬來西亞老師Chin結為好友,相互分享兩國的中學課程規劃及教育現況,是此行最大收穫!

n  附錄

1.研討會作者展示之英文海報資料:https://docs.google.com/document/d/1M0d8AAMc7HvCVZk4ZOKBS8bpdYwozw40/edit