臺灣化學教育

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）
chao@gate.sinica.edu.tw

 

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。2015、2016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2019年12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2022年1月15日以及2月12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SOCME（System-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IUPAC「Connect 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