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 Leave a comment

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)

mhchiu@gapps.ntnu.edu.tw

 

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

clip_image002

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。

clip_image004

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。

clip_image006

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。

clip_image012

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。

clip_image018

clip_image020

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

李驥、邱美虹(2019)NGSS 12 年國民基本教育中探究、實作和建模的比較與分析。科學教育月刊42119-31

邱美虹(2016)科學模型、科學建模與建模能力。臺灣化學教育11。網址:http://chemed.chemistry.org.tw/?p=13898

Arnold, R. D., & Wade, J. P. (2015). A definition of systems thinking: A systems approach. Procedia Computer Science. 44, 669 – 678. https://doi.org/10.1016/j.procs.2015.03.050

Ben-Zvi Assaraf, O., & Orion, N. (2005). Development of system thinking skills in the context of earth system education. Journal of Research in Science Teaching, 42, 518–560. https://doi.org/10.1002/tea.20061

Ben-Zvi Assaraf, O., & Orion, N. (2010). System thinking skills at the elementary school level. Journal of Research in Science Teaching, 47(5), 540–563. https://doi.org/10.1002/tea.20351

Best, A., & Holmes, B. (2010). Systems thinking, knowledge and action: Towards better models and methods. Evidence & Policy, 6(2), 145-59. https://doi.org/10.1332/174426410X502284

Budak, U. S., & Ceyhan, G. D. (2023). Research trends on systems thinking approach in science education. International Journal of Science Education. https://doi.org/10.1080/09500693.2023.2245106

Cabrera, D. (2021). What is the first documented use of the term, “Systems Thinking”? Journal of Systems Thinking, (21)10, 1-4. https://doi.org/10.54120/jost.v1i1.1383

Chiu, M. H., Mamlok-Naaman, R., & Apotheker, J. (2019). Identifying systems thinking components in the school science curricular standards of four countries. Journal of Chemical Education, 96, 2814−2824.
https://doi.org/10.1021/acs.jchemed.9b00298

Holme, T. (2020). Using the chemistry of pharmaceuticals to introduce sustainable
chemistry and
systems thinking in general chemistry. Sustainable Chemistry and Pharmacy, 16, 100234. https://doi.org/10.1016/j.scp.2020.100234

Jaradat, R.; Keating, C., &Bradley, J. (2014). A histogram analysis for a system of systems. International Journal of System of Systems Engineering, 5, 193-227. https://doi.org/10.1504/IJSSE.2014.065750

Jaradat, R. (2015). Complex system governance requires systems thinking: How to find systems thinkers. International Journal of System of Systems Engineering, 6, 53−70. https://doi.org/10.1504/IJSSE.2015.068813

Mahaffy, P. G., Krief, A., Hopf, H., Mehta, G., & Matlin, S. A. (2018). Reorienting chemistry education through systems thinking. Nature Reviews Chemistry, 2, 0126. https://doi.org/10.1038/s41570.018.0126

Mahaffy, P.G., Matlin, S.A., Holme, T.A., & MacKellar (2019). Systems thinking for
education about the molecular basis of sustainability. Nature Sustainability, 2, 362–370.
https://doi.org/10.1038/s41893-019-0285-3

Mambrey, S., Timm, J., Landskron, J., J., & Schmiemann, P. (2020). The impact of system
specifics on systems thinking. Journal of Research in Science Teaching, 57, 1632–1651. https://doi.org/10.1002/tea.21649

Matlin, S. A. (2020). Introducing the SOCME tool for systems thinking in chemistry: A technical resource, International Organization for Chemical Sciences in Development, Retrieved November 1 from http://www.iocd.org/v2_PDF/2020-TechRes0301-SOCME-Intro.pdf

Matlin, S. A., Mehta, G., Hopf, H., & Krief, A. (2016). One-world chemistry and systems thinking. Nature Chemistry, 8(5), 393−398. https://doi.org/10.1038/nchem.2498

Meadows, D. H. (2008). Thinking in Systems: A Primer; Chelsea Green, Publishing:
White River Junction, VT.

Mehren, R., Rempfler, A., Buchholz, J., Hartig, J., & Ulrich-Riedhammer, E. M. (2018). System competence modelling: Theoretical foundation and empirical validation of a model involving natural, social and human-environment systems. Journal of
Research in Science Teaching
, 55, 685–711.
https://doi.org/10.1002/tea.21436

Orgill, M. K., York, S., & MacKellar, J. (2019). Introduction to systems thinking for the chemistry education community. Journal of Chemical Education, 96(12), 2720–2729. https://doi.org/10.1021/acs.jchemed.9b00169

Pazicni, C., & Flynn, A. B. (2019). Systems thinking in chemistry education: Theoretical challenges and opportunities. Journal of Chemical Education, 96, 2752-2763. https://doi.org/10.1021/acs.jchemed.9b00416

Richardson, K., Steffen, W., Lucht, W., Bendtsen, J., Cornell, S. E., Donges, J. F., Druke, M., Fetzer, I., Bala, G., von Bloh, W., Feulner, G., Fiedler, S., Gerten, D., Gleeson,T.,
Hofmann, M., Huiskamp, W., Kummu, M., Mohan,C., Nogues-Bravo1, …, Rockstrom, J. (2023)
. Earth beyond six of nine planetary boundaries, Science Advance, 9(37), 1-16. https://doi.org/10.1126/sciadv.adh2458

Richardson, K., Steffen, W., Noone, K., Persson, A., Chapin, III, F. S., Lambin, E. F. Lenton, T., M., Scheffer, M., Folke,C., Schellnhuber, H., J., Nykvist, B., de Wit, C. A., Hughes, T., van der Leeuw, S., Rodhe, H., Sorlin, S., Snyder, P. K., Costanza, R., Svedin, U.,…, Foley, J. A. (2009a). Planetary boundaries: exploring the safe operating space for humanity. Ecology and Society, 14(2),
32. [online]
http://www.ecologyandsociety.org/vol14/iss2/art32/ 

Richardson, K., Steffen, W., Noone, K., Persson, A., Chapin, III, F. S., Lambin, E. F. Lenton, T., M., Scheffer, M., Folke,C., Schellnhuber, H., J., Nykvist, B., de Wit, C. A., Hughes, T., van der Leeuw, S., Rodhe, H., Sorlin, S., Snyder, P. K., Costanza, R., Svedin, U.,…, Foley, J. A. (2009b). A safe operating space for humanity. Nature, 461, 472–475. https://doi.org/10.1038/461472a

Rosenkränzera, F., Hörscha, C., Schulerband, S., & Riess, W. (2017). Student teachers’ pedagogical content knowledge for teaching systems thinking: effects of different interventions. International Journal of Science Education, 39(14), 1932–1951. https://doi.org/10.1080/09500693.2017.1362603

Senge, P. (1990). The Fifth Discipline: The Art and Practice of the Learning Organization. Double Day: New York, NY.

Steffen, W., Richardson, K., Rockström, J., Cornell, S. E., Fetzer, I., Bennett, E., M., Biggs, R., Carpenter, S. R., de Vries, W., de Wit, C., Folke, C., Gerten, D., Heinke, J., Mace, G. M., L. M. Persson, Ramanathan, V., Reyers, B., & Sörlin, S. (2015). Planetary boundaries: Guiding human development on a changing planet. Science, 347(6223), 1259855. https://doi.org/10.1126/science.1259855

Stockholm Resilience Center (2023). Planetary boundaries. Retrieved October 25, 2023 from https://www.stockholmresilience.org/research/planetary-boundaries.html

Szozda, A. R., Mahaffy, P. G., & Flynn, A. B. (2023) Identifying chemistry students’ baseline systems thinking skills when constructing system maps for a topic on climate change. Journal of Chemical Education, 100, 17631776. https://doi.org/10.1021/acs.jchemed.2c00955

Talanquer, V. (2019). Some insights into assessing chemical systems thinking. Journal of Chemical Education, 96(12), 2918−2925. https://doi.org/10.1021/acs.jchemed.9b00218

Whalen, J. M., Matlin, S. A., Holme, T. A., Stewart, J. J., & Mahaffy, P. G. (2022). A Systems approach to chemistry is required to achieve sustainable transformation of matter: The Case of ammonia and reactive nitrogen. ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 10(39), 12933−12947.
https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.2c03159

World Economic Forum (2023). Future of Jobs Report 2023. https://www.weforum.org/reports/the-future-ofjobs-report-2023/

York, S., & Orgill, M. K. (2020). ChEMIST Table: A Tool for Designing or Modifying
Instruction for a systems thinking approach in chemistry education, Journal of Chemical Education, 97,
2114−2129. https://doi.org/10.1021/acs.jchemed.0c00382

3016 Total Views 2 Views Today

Please give us your valuable comment

發佈留言必須填寫的電子郵件地址不會公開。 必填欄位標示為 *