臺灣化學教育

系統思考在化學教育上的應用：導入系統思考的普化課提高美洲原住民學生學習意願

汪俊宏

Department of Science, Northland Pioneer College, Little Colorado Campus, Winslow, AZ, 86047

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n  前言¹

美洲原住民在美國教育體制屬弱勢，偏鄉地區的高等教育實屬不易推動之任務，許多原住民學生無法在六年內完成美國二年制大學學院便離開學校，即使留在原校轉系的學生也常常選擇放棄理工相關領域的路線而轉至其他領域。將系統思考導入到普通化學課已有許多院校實施，此不僅提高學習意願，也讓學習更有效率，在僅有少數學生主修化學的前提下讓較多學生不畏懼修化學課。將美洲原住民部落納瓦霍（Navajo）與霍皮（Hopi）部落的文化導入到普化課中也提高學生學習興致，將學生自身文化與化學做結合，在基礎科學課程中引起了極為顯著的影響。

n  什麼是系統思考？

系統思考背景

        大一基礎課程的學習目的是提供學生大的框架，從中尋找出自己可能有興趣的課題，藉而延續類似的課題而逐步刻畫出職業生涯的藍圖。普化課程的安排是從第一章的「什麼是化學」開始，然後一步步從原子、分子、離子架構，化學反應，化學鍵，氣態、液態、固態、溶液，熱力學，化學動力學、化學平衡等等。但在學習過程中往往產生一些疑問：學習這些內容要如何跟日常生活與未來職涯發展找到相關性。地球限度（planetary boundary）的概念（Rockström, 2009）最早由Johan Rockström等人於2009年提出，加拿大埃德蒙頓國王大學的Peter Mahaffy團隊製作的地球限度（planetary boundary）（KCVS, n.d.）網頁，讓學生更容易地了解地球限度，裡面從許多人類的重大議題：氣候變遷、海洋酸化、乾淨水源等等衍生出更多議題，這過程中引導出我們需要知道的基本概念，例如想要研究氣候變遷議題，就必須對能量守恆定律（熱力學第一定律）、分子結構與鍵結、氣態化學與化學平衡有基本了解，然後再衍伸出水的高比熱對於調節地表水溫度的重要角色。從小觀點一步步延伸至大觀點，可以幫助學生找到自己的興趣，也可以避免學生因為學習眾多普化觀念卻不知道該如何延伸至其他議題。

n  納瓦霍與霍皮文化

與美洲原住民的生活環境息息相關

歷史上納瓦霍與霍皮原住民部落主要位於猶他州、亞利桑那州與新墨西哥州，我所任教的學校所在位置包含納瓦霍郡與阿帕契郡，有部分校區在原住民部落：納瓦霍、霍皮與阿帕契，我負責教學的區域包含了納瓦霍與霍皮，這兩個部落所在位置在歷史上飽受空氣與水污染的影響，急需要理工相關背景的學生在畢業後回到原部落改善當地生活，而原住民的文化也鼓勵部落族人回到故鄉服務。在這樣的前提下，使用地球限度的概念告訴學生這個世界所面臨的問題，然後引導學生思考他們祖先世世代代生活的土地面臨了一些自然資源耗竭以及環境污染的問題，在Mahaffy等人設計的網頁中可以提醒學生氣候變遷、乾淨水源等問題可能已經在部落耆老口中聽到許多，在許多年前的部落沒有空氣與水污染的問題，現在卻浮現越來越多類似問題（Armao, 2023），當中牽連了許多歷史因素，導致目前的居民必須面對這些問題。系統思考可以引領學生思考更深層面的問題，例如乾淨水源需要學生了解酸鹼化學與分子結構與鍵結，學生會更想了解pH值與分子間作用力（例如極化作用與氫鍵）的概念，而這些概念在普化課程中皆有提到。

我在開學第一週並不是開始從普化第一章開始講起，而是用故事串連起所有的章節，引導學生思考為什麼他們需要學習普化，我從他們的日常生活環境開始引導，例如：（一）這個地區的水源來自科羅拉多河（Colorado River）以及其分支小科羅拉多河（Little Colorado River），然而這個區域的水質偏硬，因為水中碳酸鈣CaCO₃的含量過高，所以在煮開水時水壺底部總是一層白色物質。（二）原住民部落耆老會使用各種藥材來治療疾病，而這些藥材只生長在特定區域，若是在保護區內，往往很少有機會能夠在藥理上有所研究，這與歷史上原住民不喜歡歐洲移民來到他們生長環境做研究有關，也因為這樣，研究相關藥物的責任便落在部落有受高等教育的年輕人身上。（三）在亞利桑那州溫斯洛（Winslow）地區附近有座火力發電廠Cholla Power Plant將在近兩年內關閉（Decenti, 2022），關閉之後面對的問題則是尋找新的電力來源，雖然說亞歷桑那有大片沙漠，理論上適合發展太陽能電力，但這樣的來源是否能穩定供應當地呢？（四）另外引導學生思考的則是地質上的問題，世界知名的大峽谷國家公園距離我任教學校僅兩個小時車程，但我們對於這座國家公園還有很多不了解的地方，研究地質化學是否能夠尋找到與大自然和平相處的方法呢？藉由引導學生思考這些問題，然後連結到化學相關領域，讓學生提高修習普化的動機，知道學習這些普化基本概念對未來可能有什麼幫助。普化教材是基礎中的基礎，如果能一開始就讓學生發現這個章節彼此的關聯性，可以提高學生留在STEM領域中繼續往上學習。

如果學生通過普化上且持續堅持修到普化下學期末，我要求學生做簡短的十分鐘口頭報告，讓學生決定他們自己感到有興趣的化學相關題目，我也鼓勵他們選擇與他們生活息息相關的題目。例如有位較年長的學生便報告他年輕時在原住民保護區內的火力發電廠工作發現的水污染與空氣污染的嚴重問題，剛好就連結到學期剛開始的地球限度議題。另外有學生報告在原住民保護區的牲畜偶爾會得到一些罕見疾病，而這些疾病只發生在原住民保護區的牲畜身上，所以相關的研究與治療方法非常稀缺，於是我便鼓勵學生繼續學習，未來朝向學生設定的生物工程領域前進。另外也有學生提到與原住民文化息息相關的可食用的仙人掌皮約特（peyote）（Horgan, 2017），此仙人掌含皮約特生物鹼，傳統上只有在部落中德高望重的人士可以在祭典中使用皮約特仙人掌與祖靈溝通，在聆聽完學生報告後得知此皮約特生物鹼與神經傳導物質高度相關，於是我便鼓勵學生繼續往此方向前進，持續在大二修有機化學，未來朝向藥物化學領域獲得更多相關知識。

表1與表2為近三年我開始在北疆先鋒學院教課的統計數據，包含出席率與平均成績。從平均成績的角度來看，並不容易看出導入系統思考前後的差異，因為學生成績計算方式有多方考量，且基礎化學的平均成績明顯低於普通化學。但從出席率來看，系統思考確實提高學生的上課意願，且從普化下學期末學生的課程反饋與口頭告知，70%學生確實明顯提出因為系統思考的緣故，學生更能確定自己未來想走的方向。

表1 基礎化學近三年出席率與平均成績。此課程主要以未來志在從事護理人員為主的基礎課程，僅傳授一個學期，許多學生在高中之前從未修習任何化學課程。我的第一年任教（2020秋季與2021春季）為新冠疫情嚴峻期間，必須完全網路授課，且學生若住在偏遠地區，無線網路往往不穩定，故無統計出席率紀錄。

    在嘗試使用系統思考的方式在普化教學的兩年內，我花費不少時間了解當地文化，並且盡量與學生聊到他們的文化，我也樂於了解對於我而言非常陌生的美洲原住民文化，然後在課程中做調整。我的學生中也有非原住民，他們也樂意聆聽不同的文化，然後了解到學習STEM與文化、族群的關聯，主要重點在於尋找學生自己的學習動機，讓學習更有意義，而非僅是因為普化是許多理工相關科系的必修課程所以才來修普化。

n  參考文獻

Rockström, J. (2009). A safe operating space for humanity. Nature, 461(7263), 472-475. https://doi.org/10.1038/461472a

Planetary Boundaries – KCVS (n.d.). Retrieved October 14, 2023, from https://planetaryboundaries.kcvs.ca/

Armao, M. (2023, August 30). The long tail of toxic emissions on the Navajo Nation. High Country News. Retrieved from https://www.hcn.org/issues/55.9/pollution-the-long-tail-of-toxic-emissions-on-the-navajo-nation

Decenti, A. D. (2022, July 12). Navajo residents seek ‘just and equitable’ help after closure of power plant, coal mine. Arizona Central. Retrieved from https://www.azcentral.com/story/news/local/arizona/2022/07/12/navajo-generating-station-closure-hurt-communities-residents-say/10027935002/

Horgan, J. (2017, July 5). Tripping on peyote in Navajo Nation. Scientific American.
Retrieved from https://blogs.scientificamerican.com/cross-check/tripping-on-peyote-in-navajo-nation/