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
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)
前言
olatility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。
系統思考
）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。
在1938年出版的一本名為「Interpretations and
Misinterpretations of Modern Physics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。
表1 不同學者對系統思考的定義一覽表
），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。
）建立系統模型。
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。
現況與挑戰一：教學目標
）。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。
現況與挑戰二：課程與教師準備度
（）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。
產生新物質的概念）。
根據Budak和Ceyhan（2023）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。
!
現況與挑戰三：地球限度的警訊
）、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。
所示。
圖1：地球限度架構的演化
.
Updated by ）
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。
圖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
）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-in和Zoom-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。
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。Matlin（2020）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。
建立共備社群強化師資與課程
這也符合SDG的第17個目標—夥伴關係。
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。
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？
），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 和Zeng（in 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。
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。
致謝
圖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。
參考文獻
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