臺灣化學教育

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2010至2020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）

 圖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，和IUPAC永續發展化學系統思考(STCS-2030+)計畫工作小組於 2022年 7月 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）。

圖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）。

圖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/

圖4：「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/

表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6、7），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）。

圖5：高一必修化學課程的學期作業範例

圖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/

圖7：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/

表2：摘錄一些學生報告作品範例與心得

（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：

（一）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；

（二）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；

（三）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；

（四）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/