系統思考在化學教育上的應用:利用系統思考建立物理化學知識架構之探討 /鄭原忠

星期一 , 11, 12 月 2023 Leave a comment

系統思考在化學教育上的應用:利用系統思考建立物理化學知識架構之探討

鄭原忠

國立臺灣大學化學系
yuanchung@ntu.edu.tw

 

n  前言

近年來系統思考的架構在科學、技術、工程和數學(STEM)教育上受到廣泛的關注,研究發現,系統思考的方法已經非常普遍的融入在工程、生物、地球科學等相關領域的教育現場之中(York et al., 2019)。實證研究發現,在STEM教育中,系統思考架構的導入能夠加深學習者對課程內容的理解、增強課程內容間的連結、提供學習者用真實世界問題實踐學習成果的機會、讓學習者在實驗中更全面的考慮外在的變因、以及加強學習者跨領域的思考與實作能力(Assaraf & Orion, 2005; Jacobson, 2001; Kordova et al.,
2018; Mathews & Jones, 2008; Richmond, 1993; Sabelli, 2006)
。這些特質顯示系統思考的訓練對學習者解決複雜社會真實問題的能力養成扮演著關鍵的角色,也因此系統思考在近年來已廣泛被納入各國的課程標準或能力評量架構之中。

系統思考雖然在STEM教育受到重視,不過,到目前為止系統思考架構在化學教育中的引進大多侷限在綠色與永續化學的相關領域,這個理由顯而易見,因為綠色與永續化學的本質就涉及跨領域的思考,並需要考慮諸多系統的邊界條件以及複雜的交互作用,使得系統思考成為一項必要的認知工具(MacDonald et al., 2022; Mahaffy et al., 2021; Mahaffy et al., 2019)。系統思考的引進代表學習者在學習知識的同時必須要能夠對相關的社會、環境系統作批判性的思考,例如在學習一個合成化學反應時,要能夠想到反應的起始物和產物與社會需求的關係、它們的製作與廢棄物處理對環境的影響如何、以及是否有其他對環境更為友善的合成方式等等(Constable et al., 2019)Pazicni Flynn 的分析指出,利用系統思考作為學習架構能夠幫助學習者建立更好的洞察力(Pazicni & Flynn, 2019),也因為聚焦在系統功能以及動態關係的原因,能夠做到更有效的有意義的學習(meaningful learning(Bretz, 2001; Novak, 2002)

目前在化學領域的教學現場並未普遍的導入系統思考的訓練(Chiu et al., 2019; York et al., 2019),這項缺失可能導致學習者學習意願低落,並且缺乏活用知識的組織能力與實作經驗,而無法將習得的化學知識應用到解釋現實生活中的問題與現象。Constable等人認為化學系統具有複雜性的本質,必須要有系統層級的思維才能駕馭,因此系統思考在化學教育是必要的工具(Constable et al., 2019; Flynn et al., 2019)。不過,從學習心理學的角度來看,化學知識涉及從微觀尺度原子、分子間的交互作用解釋宏觀的實驗結果與現象,這本身就不是容易的工作(Johnstone, 1991; Taber, 2013),因此要在概念上連結系統層級的現象與微觀的物理原理,並在教學現場成功的實作,仍然有許多嚴峻的挑戰(Ho, 2019)。當考慮在化學教育導入系統思考訓練的時候,教師的意見也是重要的影響因素,在一項研究中(Jackson & Hurst, 2021)Jackson Hurst 對同系的大學化學系教師做了詳細的訪談,結果顯示所有的參與者都同意系統思考的正面效益並願意在自己的課堂上導入系統思考架構,不過因為時間的不足以及缺乏可供作參考的成功案例,因此難以實踐,這項研究清楚的指出持續發展能用在教學現場的系統思考模組以及建構系統思考相關的教學資源,是當前推展系統思考教育的重要一環(Flynn et al., 2019; MacDonald et al., 2022; Szozda et al., 2022)。在這個方向上,最近Ravi等人 將系統思考架構導入一整個學期的化學催化課程(Ravi et al., 2021),以及Holme利用系統思考架構在普通化學導入藥物與永續化學教學(Holme, 2020),都在學生回饋時得到非常好的評價。

    上述在化學教育引進系統思考架構的挑戰在面對物理化學(Physical Chemistry)教學時顯得更加的嚴峻,物理化學運用數學語言以及基本物理定律給予化學系統的性質以及化學現象定量的描述,也提供了利用微觀原子與分子性質解釋巨觀化學現象的基本規則,是化學教育極為重要的一環,但是因為偏重理論的性質,在文獻中仍缺乏利用系統思考架構來幫助物理化學教學的實例,因此,本文以二氧化碳系統與熱力學知識的連結為例,探討在物理化學教育中引進系統思考的可行步驟,希望建立一種以系統為導向的物理化學知識概念圖,能夠更清晰地呈現理論知識與真實系統的關聯性,以提供學習者更有效以及更有意義的學習過程。

n  系統思考與化學教育

一、系統思考的基本觀念

    系統思考的定義在文獻中有眾多不同的闡述,有興趣的讀者可以閱讀本期專刊中其它作者的說明或參考(Ho, 2019)中簡潔清楚的整理,本文採用的是Meadows提出的觀點(Meadows, 2008):「一個系統是一群相互關聯元素,以實現某些目標的方式和諧地組織起來」,在這個觀點裡,一個系統必須由三類事物組成:元素(elements)、互聯關係(interconnections)、以及功能或目的(function or purpose),這三個要件的存在可以作為檢視一個模型是否符合系統思考原則的測試標準(Chiu et al., 2019),因此,系統思考便是一種強調系統的這三個特性並據以進行學習、教學、與評量的系統架構,在這個架構下,系統內各成分之間的互聯關係、這些關係的動態變化(隨時間或空間)、以及系統本身或外力的動態變化如何對系統的行為產生影響(Arnold & Wade, 2015; Richmond, 1993),這樣的思考架構,對於處理真實世界複雜體系的問題,扮演著關鍵的角色(Constable et al., 2019)

    在化學教育中導入系統思考的訓練是在 2010年代中期開始引起廣泛的關注,國際純粹與應用化學聯合會(簡稱IUPAC)在 2017 年開始啟動「化學教育中的系統思考」計畫(簡稱 STICE(Mahaffy et al., 2018; Mahaffy et al., 2019)2018 年時,參與STICE計劃的學者們在美國化學會的《化學教育期刊》(Journal of Chemical Education)發表了一期專刊(Mahaffy et al., 2018),全面性地對化學教育中如何在課程設計、教學方法、教具等面向引進系統思考做了整理,並特別強調系統思考不僅可以加強學生學習化學知識的動機、加強學習成效,並且可以幫助學生看到化學知識與跨學科領域問題的關聯性,讓綠色以及永續化學的知識能夠更密切的導入主流化學課程的教學內容,在這份專刊中,台灣師範大學化學系的邱美虹教授發表的論文提出了四個系統學習在化學教育中的重要特性,並據以探討在以色列、荷蘭、台灣、美國等四個國家的中等學校化學課程標準中的系統思考元素(Chiu et al., 2019)

    Tümay強調從化學以及化學教育的角度,系統思考的過程可以被想像成是一個動態的循環,其中的步驟包括:(1)對系統建模(modeling systems),(2)進行前瞻與預測(prediction),與(3)回顧與修正模型(retrospection(Tümay, 2023),而反覆地進行這個循環是成功處理複雜且動態的化學現象不可或缺的一環。在這三個步驟中,系統思考相關文獻特別注重系統建模的過程,並且有許多學者都強調化學系統建模應該要考慮 CISP 四個基礎的面向,包括:(C)系統的組成單元(Components of system)、(I)系統組成單元間的交互作用(Interactions
of the system components
)、(S)系統的結構(Structure of the system)、以及(P)系統的特性(Properties of the system(Chiu et al., 2019; Tümay, 2023),在辨識化學系統以及系統間的關聯性時,運用CISP的技巧是重要的能力。

二、協助系統思考的圖形工具

    為了更有效地在化學領域引進系統思考的架構,Mahaffy Matlin 等人強調利用圖像方式呈現系統的定義以及系統之間的動態關聯性的重要性(Mahaffy et al., 2019; Mahaffy et al., 2019; Schultz et al., 2022),他們將傳統的概念圖改良,發展出系統導向概念描繪延伸圖(system-oriented concept map extension,簡稱SOCME),例如圖1就是大氣中二氧化碳濃度相關的SOCME,從圖中可以清楚辨識系統元素、互聯關係、以及功能等要件,更重視子系統(subsystem)的組成與邊界,以及子系統間之動態關聯。整體而言,SOCME提供了一個全面關照系統成分(components)與關聯性的組織方式,可以作為在化學教育中系統思考實作訓練的重要教學資源(Flynn et al., 2019)除了SOCME 以外,Aubrecht等人更進一步提出了一系列的圖形工具與符號來輔助系統思考的概念發展(Aubrecht et al., 2019),不過,雖然圖像化的思考有助於學習者直觀的理解複雜系統的動態連結,過度複雜的符號工具卻有可能模糊了學習的焦點並造成學習者不必要的負擔,在使用的時候應該做謹慎的評估。

三、系統思考能力

    從教育理論的觀點,一項重要的問題是系統思考架構究竟可以帶給學生什麼樣子的能力呢?這個問題我認為可以用 Assaraf Orion 提出的「系統思考能力階級模型」(system thinking hierarchical model(Assaraf & Orion, 2005) 來回答。圖2中簡述了統思考能力階級模型中的三個系統思考階級,以及八項學習者在系統思考訓練中應該要獲取的技能。這八項技能從第一階級辨識系統成分與過程的靜態組成,第二階段強調系統成分間的相互關聯以及動態的行為,到第三階段的進階整合與分析能力,此一統思考能力階級模型除了可以應用在課程規劃以及教學方法設計之外,也可以作為評量學習者學習成效之基礎要素。特別值得一提的是在教學上設計讓學習者依照此階級模型的順序製作SOCME可以完全呼應統思考能力建立的過程,因此SOCME可以作為一種特別有效的系統思考學習工具。

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1:二氧化碳相關的系統導向概念描繪延伸圖,闡述人為活動生成的二氧化碳與大氣、海洋、氣候、減碳措施之間的動態關聯性。
資料來源:”Graphical Tools for Conceptualizing Systems Thinking in Chemistry Education,” by Aubrecht, K. B. et al. (2019). Journal of Chemical Education, 96, 2888–2900. ©Copyright 2019 American Chemical Society.

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               2:培養系統思考能力的階級模型。

資料來源:整理自” Development of system thinking skills in the context of earth system education,” by Assaraf, O. B. & Orion, N. (2005). Journal
of Research in Science Teaching
, 42, 518–560.

n  系統思考與理論物理化學以熱力學第一定律為例

一、傳統的理論物理化學知識架構

    傳統的物理化學教學強調按部就班地建立學習者的數學以及物理學基礎知識,往往過度強調一種線性的學習過程,這一點可以清楚的從一般物理化學大學教科書的編排中看出。例如圖3是從HyperPhysics網站擷取的熱力學知識概念圖,而這個圖像展現了一般高等教育物理化學課程教授的知識途徑,清楚的呈現傳統理論物理化學教育的線性過程,這樣的知識架構簡化了教學的複雜度,但是卻難以呈現知識之間真實的關聯性,例如圖3中的亂度(entropy)概念是作為一項學習路徑的終點,無法反映出亂度幾乎在所有其他的知識概念如熱平衡(thermal equilibrium)與理想氣體定律(ideal gas law也都扮演著關鍵性的角色,此外,在傳統物理化學教學方法中,往往是先教授理論知識與模型,再「舉例子」說明理論在真實情境的應用,這樣的方式弱化了理論知識與真實世界問題的連結,造成學習者在未來應用所學知識的障礙。有鑒於這些傳統理論物理化學知識架構的問題,本文建議從真實世界系統的SOCME出發,來發展出新的知識概念架構,據以將系統思考的架構引入物理化學教育。

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               3:傳統的理論知識概念圖,以熱力學為例。

資料來源:HyperPhysics (©2016 C.R. Nave). Retrieved November
10, 2023 from
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/heacon.html

二、利用SOCME 建立物理化學知識架構

    在本節中我們嘗試拆解從SOCME建構物理化學理論知識架構的過程,經過反覆的嘗試,我們認為這個過程可以分成系統的聚焦與放大、系統的建模、以及系統的符號化等三個步驟,透過檢視此過程中每個步驟的操作要素,我們可以建構一套系統化的方式將SOCME轉化成具有完整連結的理論知識地圖,我們稱之為系統導向知識概念圖(system-oriented knowledge concept map。以下逐步說明此三個步驟。

(一) 系統的聚焦與放大

    如圖1SOCME涵蓋非常多個系統成分與子系統,其複雜度往往超過一門課程可以處理的資訊量,因此,第一步需要選取並聚焦在SOCME中的某項成分,以圖1中的系統為例,我們選擇聚焦在「燃燒化石燃料」(burning fossil fuels)的這個部分,並據以探討熱力學相關的知識在此系統中扮演的角色。圖4呈現我們挑選出來的系統成分,要特別注意在選取的過程中應該保留此成分與其他組成成分間的相互關聯以及功能,如此一來,後續完成的知識概念圖可以保有與系統其他沒有被選取的成分間的關聯性,因此,聚焦雖然選取了系統的單一成分來做分析,卻不會破壞系統思考的整體性。

    一般而言,從SOCME選取的系統成分,表徵的是巨觀的現象學描述,此時需要利用系統的多尺度(multiscale)特性,因此可以在考慮系統的組成時,將系統概念作放大(zoom in)或縮小(zoom out)的操作(Ravi et al., 2021)。以「燃燒化石燃料」為例,此一描述是比較巨觀與粗略的,而我們需要可以對應到真實物理系統的SOCME,因此必須要透過放大來找出其中關鍵的組成成分。這個步驟應該讓學習者利用CISP的技巧以及系統思考能力(圖2)來建構一個能夠描述所選取系統的概念圖,並辨識出關鍵的物理系統。以「燃燒化石燃料」為例,我們可以以「內燃機」(internal combustion engine)為核心重建一個放大後的SOCME圖,如圖4所示,這個過程需要辨識並瞭解系統內隱藏的維度,並需要應用比較高階的系統思考能力。放大的準則是核心概念(如內燃機)必須要能夠對應到實體物理系統的,才能夠進入下個步驟,因此,選擇契合系統功能的適當尺度來建構聚焦放大的系統概念圖,是成功的關鍵。

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               4:選擇「燃燒化石燃料」並聚焦放大的系統概念圖

(二) 系統的建模

    建立完如圖4這樣在放大的尺度呈現出來的SOCME後,我們應該再次選取部分的成分來進行分析,以免被過度的複雜性系統概念影響在物理化學教學,如圖5所示,這次選取「內燃機」與「化石燃料」(fossil fuels),並且要針對這個部分進行建模,這個建模的過程是處理科學知識的重要基石,在過去的文獻中已經有眾多清楚地探討,本文不再贅述,此時要特別強調進行「近似」的重要性,為了能夠得到清楚的數學描述,必須要捨棄較不重要的系統性質,以近似的模型取代真實世界的實際情況,因此完成的模型應該是一種對原本的系統進行過近似的模型表徵(approximated model representation),結果如圖5所描述。為了與物理原理進行連結,此時所採取的模型應該已經是簡化過可以用明確的物理知識描述的模型。我們發現,在進行SOCME建模時,除了物理系統以外,在模型中應該將互聯關係以及系統功能所對應到的物理過程清楚的呈現出來,例如在圖5中,「產生功」(generate work)的這個功能被轉化為實體做功的氣體壓縮(compression)或膨脹(expansion)的過程,才能算是完整的系統建模。

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               5:從系統描述到物理模型的建模概念圖

(三) 系統的符號化與系統導向知識概念圖

最後,我們將建立的模型符號化(symbolize),包含描述系統性質的變數與函數,以及描述物理過程的公式以及物理定律。經過整理之後,可產生如圖6之概念圖,因為此圖保留了系統思考過程產生的系統成分以及成分間的關聯性,也可以清楚辨識知識子系統的本質與界線,我們稱之為一種系統導向知識概念圖。我們發現從系統物理模型(圖5)符號化而產生的知識概念圖,能夠自然地涵蓋非常豐富的理論知識範圍,例如圖6基本上包含了物理化學教科書中關於熱力學第一定律篇章內的所有重要的內容,可視為是一個針對熱力學第一定律相關的理論知識歸納整理出來的SOCME

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      6:透過將系統模型符號化取得的系統導向知識概念圖以熱力學第一定律為例

n  結果與討論

在上一節中,我們描述了一套系統化的方式將SOCME轉化成具有完整連結的系統導向知識概念圖,並呈現用熱機系統闡述熱力學第一定律的過程。這些步驟本質上就是一個建立科學模型的程序,因此我們可以利用過去化學教育領域對於科學模型與建模的研究成果來幫助我們完成此一任務(邱美虹 2016)。不過,在利用SOCME建模的過程中要特別注意的是複雜系統的多尺度本質以及物理化學過程與原先系統模型中的互聯關係以及系統功能間之映射關係。如何更清晰的辨識這些建模過程的重要性質,並在傳統科學模型建模理論中嵌入(embed)系統思考建模的特徵,將是未來進行相關研究的重點。

關於如圖5的系統導向知識概念圖,我們要強調它不是一種最終產物,從系統思考的角度看來,圖 1,4,5,6 應該視為同一個系統在不同解析度以及學術情境底下的表徵,我們可以想像在二維的 SOCME 之上可以再加上一個表徵性(representational)的維度,因此不應該將圖5所呈現的系統導向知識概念圖當作一項最終成品而獨獨利用它來作為教學的依據,而應該隨著教學進度在不同的表徵間切換,讓學習者理解系統的表徵性維度,並能夠透過在系統簡約模型層次了解的關聯性來建立理論知識之間的連結,進而強化學習者進行通則化並能在其它情境應用所學習到的知識。在這個基礎上,系統導向知識概念圖提供能夠更輕易的應用在探究式教學(inquiry based learning)或有意義學習(meaningful
learning
)的理論知識內容。

此外,我們也可以清楚地看出在從SOCME建構系統導向知識概念圖的過程中必然需要應用到所有階級的系統思考能力(圖2),因此讓學習者參與這個建構的過程可以同時訓練其系統思考能力,可以作為在物理化學課程中引入系統思考教學的一項實作活動。

n  結語

本文旨在探討在物理化學教育中引進系統思考的可行步驟,我們建議透過1)系統的聚焦與放大、(2)系統的建模、以及(3系統的符號化這三個步驟,來將系統思考模型的SOCME轉化成一種系統導向知識概念圖。例如本文描述從二氧化碳系統的「燃燒化石燃料」的系統成分作為出發點,發展出統整熱力學第一定律的系統導向知識概念圖,我們可以想像將同樣的過程應用在二氧化碳系統的不同組成成分之上,最後應該能得到一個涵蓋所有熱力學教科書知識的知識概念圖。換句話說,本文所描述的內容可以用來在一門課程中利用二氧化碳系統SOCME達成完整的熱力學知識教學,這樣的過程應該也可以推廣到其他學科領域。

我們強調,與傳統的知識概念圖比較,本文呈現的是一種翻轉知識架構建立方式的過程,在建構系統導向知識概念圖的過程中,學習者不再是為了要學習某一種知識而採用一個情境來當範例,而是直接從問題情境中去發想解決問題所需要的知識,因此我們預期此種方法導入物理化學教學將有助學習者更能靈活的運用所習得的知識。不過,本文所描述的內容只是一項初步的發想,文中建議的教學法還有待在實際的課堂上進行實踐,此外,針對這些概念相關的學習活動設計、評量方式等等都有待進一步的研究來驗證效度。期待在未來可以發展出更全面且有效的方式,將系統思考架構應用到理論物理化學教育之上。

n  參考文獻

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