臺灣化學教育

 

2018國際化學教育研討會:系統思考與化學教育—由專題演講的啟發

 

周金城

台北教育大學自然科學教育學系

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n   科學教育中的系統思考

Mahaffy, Peter G.教授受大會邀請演講，演講主題是”見樹又見林:科學教育中的系統思考(Seeing The Forest while in trees: Systems Thinking in Science Education”，在科學教育中的系統思考議題，是我過去比較少關注的主題，藉由這次的專題演講，提高了我對此主題的瞭解。Mahaffy教授指出「現今的STEM教育在許多學科都被關注與發展，但是在化學領域與其他領域並沒有將系統思考融入於教學之中。系統思考是一種具有價值的工具，能幫助學生理解所研究的主題以及所獲得的知識，如何和周遭世界產生關聯。研究如何有效利用系統思考在可視化的複雜中去發現簡單性。通過系統思考來重新定位化學教育，可以幫助學習者由片段的化學反應與過程知識轉變為該領域的全面性理解。系統思考可以提供學生導引，幫助他們了解STEM教育與多樣的新興全球挑戰的相關性，包含永續性、替代能源、地球限度、聯合國永續發展的目標。IUPAC計畫得到國際化學科學發展組織(International Organization for Chemical Sciences in Development)支持，發展將系統性思考融入普通化學的學習目標與策略。」

n   化學領域中的系統思考

搜尋相關文獻找到化學教育與系統思考有關文獻，Tumy (2016)研究針對共41位的大三與大四的學生進行有關酸鹼概念的半結構訪談，發現學生對於酸的強度解釋與預測，大多使用單一因素來考慮，而非考慮所有影響酸強度的所有因素(如鍵的極性、鍵的強度、氫離子解離度、酸的強度、共軛鹼的穩定度等)，因此應該促進學生的系統思考與認識論上的論證對話，以幫助學生進行有意義的化學學習。系統性思維強調整體不僅只是部分之合。化學是運用系統思考學科之一，例如元素組合成化合物，化合物的性質與元素性質就是截然不同的。當化學系統的反應機制與系統元素能適當的呈現，就可以促進系統思考。

n   工程領域中的系統思考

在工程領域中系統思考也是被強調的，Hill-Cunningham, Mott, and Hunt (2018)指出工程設計過程(Engineering Design Process,EDP)引導對問題的創造性解決方案，能幫助教師了解如何應用EDP創造設計一堂課程，學生經由應用他們所學習過的科學與數學概念來解決現實世界的問題。促進學生理解的EDP重要成果之一是幫助學生系統思考，讓多元觀點與元素能概念化用以解決問題。系統性思考是能夠識別各部分，然後理解各部分如何整合工作以構成整體。

 

表一 EDP步驟、定義與範例說明(Hill-Cunningham, Mott, and Hunt , 2018)

EDP步驟	定義	範例
改進	產品的某一個方面有問題	隨身杯上的飲水孔，會讓咖啡滴出來到地板上。
提問	定義工程類型的問題	如何封住此孔避免滴漏
想像	腦力激盪想法	想出幾個方法
計畫	選擇出最佳想法與勾畫出來，列出材料清單	想法發展，將透明片放入孔中，封住引飲水孔
創造	製造出原型	至製作出原型並測試，能夠成功。
改進	有問題嗎?	我的汽車地毯沒有滴水

 

n   系統思考與運算思維

科學與數學的運算思維與系統思考是有關連性的，Weintrop et al. (2016)指出計算思維是新世代科學標準(Next Generation Science Standards, NGSS)的核心之一，數學與科學的計算將增加，計算思維是學校科學與數學的理論基礎，可將其分類為四個面向，分別是資料實務(data practices)、數據實務(modeling and simulation practices)、運算問題解決實務(computational problem solving practices)和系統思考實務( systems thinking practices)。

表二科學與數學的運算思維分類 (Weintrop et al., 2016)

數據實務	數據實務	運算問題解決實務	系統思考實務
l   收集資料 l   創造資料 l   操作資料 l   分析資料 l   可視化資料	l   使用運算模組去理解概念 l   使用運算模組去發現和測試解答 l   評估運算模組 l   建構運算模組	l   為計算解決方案準備問題 l   程序設計 l   選擇有效的計算工具 l   評估問題的不同方法/解決方案 l   開發模組化計算解決方案 l   創建運算架構 l   故障排除和除錯	l   調查一個複雜系統的全貌 l   了解系統內的關係 l   傳達有關系統的信息 l   定義系統和管理複雜性 l   數學與科學實踐中的計算思維

 

上表二列出科學與數學的運算思維分類，相關的各項內容詳細說明，該文亦有詳細明，有興趣的讀者可以進一步參考。事實上，由上表的科學與數學的運算思維分類架構，可以知道由資料收集到系統思考的所包含的各面向，可以做為未來科學與數學教學中融入運算思維的一個架構參考。

n   系統思考是高層次能力

系統思考也是一種高層次的認知能力。Zoller (2015) 指出可永續性就是需要系統性思考，這需要科學(Science)，技術(Technology)，環境(Environment)，社會(Society)、經濟(Econom)和政策(Policy)（簡稱STESEP）的轉變。學校教育必須幫助學生跨學科思考，才能解決問題。由低層次認知技能的”知道”轉向到高層次認知技能的”思考”，確保學生具有”可永續性的思維”，最終培養具有STESEP素養的公民。

 

表三在科學、科技、環境和STES/STEM/STESEP取向科學教育的典範移轉(Zoller,2015)

由此	轉向
l   技術，經濟和社會增長不惜任何代價	l   永續發展
l   錯誤修正	l   預防行動
l   化約論:處理於外部、孤立的、高度控制的、去情境化的成分	l   不受控制的內部複雜系統
l   規律的演算法練習解題	l   問題解決取向包含系統性、跨學科的問題解決、
l   技術可行性	l   經濟和社會可行性、社會責任、負責任的
l   演算法的低層次技能取向教學	l   高層次的STESEP的情境
l   化約主義者的思維	l   系統/橫向思維
l   處理的主題是孤立或封閉系統	l   處理複雜與開放的系統
l   分科教學(物理、化學、生物等)	l   跨領域教學
l   教導”知道什麼”與評量”知道什麼”，例如運用演算法解決問題	l   概念學習是為了問題解決與轉變—能思考STESEP的情境
l   教師中心、權威、記憶教學	l   以學生為中心、真實世界、高層次認知取向(團隊)學習

 

n   結語

系統思考不只在科學學習上很重要，在日常生活中的問題也需要系統性思考，若經常只用單一因素思考問題的解決方法，就會容易產生錯誤的問題解決方案。如何幫助學生建立系統性思考，這也是未來化學教育的挑戰。12年國教的自然領域課綱，強調的探究與實作，或許可以更加強調真實世界中的問題，設計高層次的STESEP的情境問題，來幫助學生建立面對未來變化快速複雜世界的能力。

 

n   參考文獻

1.          Hill-Cunningham, P. R., Mott, M. S., & Hunt, A. B. (2018). Facilitating an Elementary Engineering Design Process Module. School Science and Mathematics, 118(1-2), 53-60.

2.          Tumay, H. (2016). Emergence, Learning Difficulties, andMisconceptions in Chemistry Undergraduate Students’ Conceptualizations of Acid Strength. Science & Education, 25(1-2), 21-46.

3.          Weintrop, D., Beheshti, E., Horn, M., Orton, K., Jona, K., Trouille, L., &Wilensky, U. (2016). Defining Computational Thinking for Mathematics and Science Classrooms. Journal of Science Education and Technology, 25(1), 127-147.

4.          Zoller, U. (2015). Research-Based Transformative Science/STEM/STES/STESEP Education for “Sustainability Thinking”: From Teaching to “Know” to Learning to “Think”. Sustainability, 7(4), 4474-4491.