臺灣化學教育

系統思考在化學教育上的應用：借鏡新加坡經驗促進化學高等教育變革

Fun Man Fung (馮寬文)¹、劉沂欣²

¹新加坡國立大學化學系、²國立臺灣師範大學化學系¹
[email protected], ²[email protected]

 

n  前言

化學是研究物質世界相互碰撞、反應、變化與創造的科學，與人類生活及環境息息相關 。從19世紀對元素的探索、20世紀提出分子的合成，及當前光對物質的相互作用研究，從系統性宏觀的視野來看，化學是螺旋式發展同時跨越與連結眾多領域，以解決人類生活所面臨的問題，故常被視為中心科學。然而，中心科學重視「存在」而不是「佔據」，強調「功能性」而非只限於「組成性」，亦是當前化學教育欲核心發展的重要方向。其中，系統系思考（Systems Thinking，ST）對於從事化學、生物化學和分子生物學的教育人員尤其具重要意涵。系統系思考串聯學生對化學片斷式的理解，透過以全面性思考的邏輯來增強化學原理及概念的融通，分析與物理、生醫、工程和社會科學（例如法律、社會、行為、經濟及政治）各學科間的關聯，佐以實踐來貫穿應用層面的中心地位。

有鑑於此，大學化學科的教學方法迫切需要轉變，透過具有系統性、批判性思考的教學模式，引導學生解決目前在學習上面臨的挑戰。以大一學生至關重要的「普通化學」課程為例，即曾被批評以雜亂無章地講述一系列「彼此不相關的主題」（Cooper, 2010）。單就學習內容而言，普通化學中各學門的基礎理論在內容及思維方式平行且獨立，導致以切割概念的主題方式做為教學大綱，又大部分內容與高中課程關聯性弱，迫使原先基礎能力落後的學生銜接不易進而造成學習成就落後，更可能因為學習孤獨感造成「大學經歷」不佳而無法與同儕溝通及合作。有鑑於未來學術界和工業界人材培育，唯有緊密結合化學教育、研究及實踐三要素，使學生理解化學並促進與其他跨領域學科（例如:地球物理、生態和人類）的相互融通，培養思考能力和工作技能，繼能面對未來人類與環境發展益漸複雜的永續議題．

化學做為科學的中心學科（Brown & Eugene, 1977），本應以實踐「科學哲學（Philosophy of Science）」的概念來促進對不同學科的接納及包容態度。以新加坡為例，1991 年成立國家科學技術委員會（NSTB）之時，同時啟動每五年為一期的國家技術計畫，即以科學、工程和技術共同推動經濟及企業轉型為首要任務。2025的計畫中特別強調研究、創新和企業（Research Innovation Enterprise，RIE）的結合，以此改善人民生活並滿足世界永續之需求。2023年10 月筆者（作者二）邀請新加坡國立大學（NUS）化學系學者（作者一）來台訪問，並分享課程設計及各式教學研究的實施案例，有鑑於學習社群和系統思考對學生自主學習之重要性，本文撰寫之初衷欲分享新加坡以學生學習為主的教學模式，並透過永續發展和環境等議題導入系統性思考來輔助學生看到問題全貌，促進學生對事實、證據、觀察結果和論證分析的判斷，同時獲取正確知識與價值觀。本文將回顧部分教育的理論、趨勢及作法，並引用相關學習行為的理論做為參考。

n  學習社群:人和人的互動

有鑑於 COVID-19 大流行，世界各地的許多機構和大學在課堂上採取了社交安全隔離措施，迫使學校和大學進行居家學習及課程數位化。但隨著社交距離逐漸解除、全球各校恢復實體課程的同時，部分課程仍保留實體加遠距教學之混合教學形式。教育數位化的確為教學的普及性及靈活性帶來巨大好處，然而學生與教師以及學生與學生互動降低，造成學生提問變少、反饋時間拉長、教師無法了解學生的「非語言暗示」及學生同儕間缺乏互動的機會 (Pang et al., 2023)，都成為教學數位化面臨無法避免的挑戰之一。Yemen-Karpuzcu 等學者將學生間互動描述為「學習過程中重要的需求」，因為它提供個體的想法表達、揭示彼此的理解和學習想法的反思機會。如同話語社群（Discourse Community）中擁有共同價值觀所組成的一群人，以特定交流語言可以讓同儕真誠地分享想法並提高學生的成績，避免遠距課程中因喪失互動可能阻礙學習的可能性。

一、學習心理安全

學生​​學習社群（Learning Community）是課程學習的重要前提，因為它很大程度上影響著學習者的動機。根據 Garrison的探究社群（Community of Inquiry，CoI）框架（見圖 1）（Garrison et al., 1999），「探究社群」是連結學生和教師互動、共同參與促進批判性思考和深度學習的社群 (Fung & Kim, 2023) ，並透過發展個人學習認知、社交和教學的共同存在所形成的學習經驗。透過文獻及調查結果均表明，在與同儕討論之後，學生回答正確的百分比及對答案的信心幾乎都是增加（Smith et al., 2009）。而學生選擇不積極參加課堂討論，其主要原因是擔心「受到同儕的評判」。

研究人員普遍認同（Yep et al., 2023），當學生無法確認同儕及教師對其表現之評價時，可能會讓他們感覺到憂慮，其稱之為「與成就活動或成就結果直接相關的情緒」。另一方面，伯格斯特羅姆（Tony Bergstrom）認為，成績表現較佳的學生也不願參加課堂，主要是擔心因自我提高教師對群體的期望而被同儕疏遠（Bergstrom et al., 2011）。這個顛覆傳統教師的認知現象，例如公開讚揚即會讓成績表現較好的學生感到尷尬，進而削弱學生在討論過程中提出實質想法的能力及信心。這類型態的恐懼被稱為「焦慮和負面評價的恐懼（Fear of Negative Evaluation，FNE）」 (Downing et al., 2020) ，學生因受到負面評價而感到不安，可能阻礙或抑制學生在處理、表達自己想法的能力，進而不參與課堂討論，甚至引發一系列的焦慮，造成學生在課堂討論中停滯不願意前進。為了克服因人而異的焦慮和負面評價的恐懼，鼓勵高階思維的發展，並透過討論促進主動學習，許多教師嘗試透過使用線上遊戲式答題器和Kahoot! 等學習型遊戲化來避免焦慮，並透過匿名鞏固心理安全來鼓勵學生參與討論(Pang et al., 2023)。從認知評估到情緒偵測，皆執行賦予心理安全感的做法。

圖1：探究社群模式具體描述學生的教育體驗之溝通媒介，其中的三個具體組成要素及其互間的影響關鍵因子（Garrison et al., 1999）。

此外，新加坡國大化學系在實驗室後的活動使用Viva La Vida，加強學習者在實驗室技術演練、減低口試時的臨場緊張（Koh et al., 2021），讓學生有信心地聆聽並回答助教及教授的問題。NuPOV （Nucleophile’s Point of View）透過觸覺性的擴增實境技術（Augmented Reality，AR）提高學生對共價鍵形成的空間視覺化能力，並手動與其進行互動以增進對有機化合物３Ｄ結構的理解及親核基加成反應的學習自主能力。QuizBot可自動在 Google 表單中建立測驗（Onget al., 2021），讓學生在多元學習的過程中，透過理解、詞彙、克漏字和迷宮等遊戲方式來回饋所學資訊。ChemPOV（Chemistry Point of View）以牌卡方式（Fung et al., 2021），讓學生們以搶答方式完成化學反應式、再用選擇題的方式找出產物，幫助學生複習已知概念，結合認知、社交和教學共同存在的的學習經驗（Lim et al., 2017）。

二、互動軟體平台

使用社交互動平台（例如:Facebook訊息、Line群組）是教育工作者促進課堂外社交互動常用的方法。然而，實施這樣一個平台極有可能遇到許多挑戰，其中最大的挑戰是學生不願意公開參與表示意見。為提高學生在課程中的學習，一般常見以補充式教學（Supplementary Instruction，SI）的協助模式，以公開且非同步地發佈學習資料（例如:Moodle）來提升課程的過課率和留課率。藉由和SI模型相似的啟發，「補充式話語（Supplementary Discourse，SD）」是另一類以非同步方式來促進學生學習探究的線上社群方式，透過讓學生在線上彼此互動討論來促進學習社群的形成。新加坡國大化學系使用Discord 在13 週內每週平均累積 86 條訊息，表示學生們不再害怕以匿名方式提問（Kim et al., 2023）。

匿名安全感是一種普遍現象。研究過程中，學生認為如果他們能夠掩飾自己的真實身份，就更有機會參與課堂活動。透過使用線上單答題器或Kahoot!等應用程式不僅可實現匿名，並證明有助於減少學生的焦慮和提高課堂參與。針對393名學生以開放式問題的研究成果指出（Barr, 2017），以某種匿名的形式的確減少他們在同儕間對回答錯誤所造成的擔憂及對於教師的恐懼。他們在討論的參與度及課堂發言提高，意味著匿名的形式起了重要的關鍵作用。透過社交音訊 Clubhouse 亦獲得了部分匿名效果保持心理安全。參與者的調查回應表明（Yep et al., 2023），部分匿名除了減少了他們的焦慮（Cohen’s d = 0.58），並略微提高課堂的參與率（Cohen’s d = 0.21）。然而在數位和混合學習過程中，以程式工具增進學生參與討論雖部分實踐認知和教學效能，但仍缺乏真實的社交模式，亦可能阻礙學習經驗的形成。由此可知，實體課堂討論仍是主動學習過程中的重要媒介（Ong et al.,
2021）。

有鑑於COVID-19大流行，由傳統面對面授課到線上學習經歷了極大的轉變，利用即時通訊軟體支援主動學習已驗證可行性。新加坡國大使用 Telegram 作為支援遠距學習的技術工具，並透過在 Telegram Quiz Bot 上設計相關主題測驗（Mohan
et al., 2021），添加遊戲化元素來促進學生在群組聊天中回答的正確性和速度，幫助學生以有趣且即使地發現學習概念及知識的落差。整體而言，大多數學生對Telegram Quiz Bot的使用持正面態度。

三、主動學習

講述式教學（Didactic Teaching）為教師講授、學生吸收的教學方法，至今仍然是大學校園中使用最廣泛的教學方法。自 1800 年代初期以來，講述式的教學因其有效解釋抽象概念而成為大學科學教學的首選方法。然而，「講述式」的教學方式讓教育被描述成只看不練的「觀看運動」，無可避免地阻礙學生發展高階思維並減損其知識學習的權益。學習者從講述式教學中所獲得的記憶、動機和資訊理解的保留程度相對較差（White et al., 2016），因此目前多數大學的科學課程已經或正在朝向主動學習過渡。

研究顯示，若將新資訊與已知資訊聯繫，學習可能會變得更容易。講述式教學的前提是讓學生在已知的知識庫和新的內容 (或主題) 之間建立一座橋樑（Svinicki & McKeachie, 2014）。而「主動學習法」的理論根據為建構主義學習理論和維高斯基的社會文化的理論基礎上。建構主義學習理論強調個人學習是經由建構他們自己的知識、將新想法、新經驗與既有知識與經驗連結，來產生新的或增進的理解（Bransford et al., 1999）。由皮亞傑（Piaget）與其他學者創建的這個理論，認為學習者能夠將新資訊同化到既有架構中，或為與先備知識牴觸的新資訊調適修正架構（Brame, 2016）。

促進主動學習的方法常明確地要求學生，將新資訊與他們現有的心智模式做連結以延伸他們的理解。在其他案例中，教師可能會設計學習活動讓學生面對迷思概念，幫助學生根據更正確的理解重新建構他們的心智模式。無論如何，促進主動學習的方法亦會促進被歸為建構主義學習理論中的學習必需之認知工作。在學習歷程中，教師不再是傳統的注入者，而是扮演一位引導者，亦是一位輔導者。因此，主動學習應是由學習者透過討論、協商、評估且積極參與過程的學習系統，並基於安全的心理環境和學習文化促進學習活動。目前，促進主動學習最流行的方法是透過討論，此類過程可激發學習者應用各類訊息以提高學習新的能力，並在不熟悉的場景中培養批判性思維來促進學習資訊的長期保留。實施互動課程與學生的成績呈正相關（Deslauriers et al., 2019），因此讓學生參與學習過程中的討論或協商，不僅是高等教育中的常見做法，並被證明可促進閱讀、討論、寫作等高階思維和技能（Theobald et al., 2020）。美國大學因應在教學上的迫切需求，將主動學習納入課程設計來融入不同背景的學生，配合後設認知（metacognition）提供了情境與學習間的連結來建構知識與理解之有效學習。 

由於資訊和通訊技術的爆發，遠距學習逐漸成為部分國家的新教育方式，尤其在COVID-19期間加速發展。截至目前，全球國家均已陸續恢復實體授課。然而，遠距學習的需求並不設限於疫情爆發，諸如不可抗力的自然災害、戰爭危機等也可能迫使機構暫時採用遠距學習。即便遠距課程的學習者流失率較實體課程高出10-20%（Herbert, 2006），且學生持續參與的毅力也受到質疑。身為教育工作者，我們應該擁抱且因應動盪所產生的危機，將線上學習的途徑視為部分的轉機。隨著全球天災人禍的威脅繼續加劇，結合互動並鼓勵線上學習的混合式教學，主動學習的成功案例讓教育看到新的希望。

n  批判性思考:學習如何去學  

學習是人類獲取新的理解、知識、行為、技能、價值觀、態度和偏好的行為及認知過程，並從出生到死亡不停地與環境互動的結果，並涉及教育心理學、神經心理學、實驗心理學和教育學等研究領域。其中，行為主義及認知心理學兩大學派定義: 學習是由經驗引發行為或內在傾向與能力持久性的良性變化，不僅可運用情境來調整思路，更是學習策略性質的提升。本篇文章提出三類當代流行的學習訓練模式，做為高等教育在化學課程實踐之參考。

一、基於案例的學習  

基於案例的學習（Case-based learning，CBL）是一種跨學科使用的既定方法，學生可以將知識應用到現實世界場景中，從而促進更高程度的認知。基於情境作為教學工具，在醫學院、法學院和商學院皆有成功實施的悠久歷史（Herreid, 1997），尤其在職前專業和醫學理領域，以各式醫學案例將基礎知識與病患情況做關聯，可讓實習生快速融入職場並應用所學之理論及概念。在CBL中，學生先以閱讀方式討論複雜的場景，培養分析思維、反思判斷等技能。根據所欲實踐之目標，案例學習可由事實所驅動出具正確答案之作法，亦可由多重因果互相驅動而演繹出的多種解決方案。各個學科都具備採用CBL的條件，使用的案例一般具有以下特點：邏輯性故事、新鮮、有對話、可產生共鳴並與讀者相關、具有教學功能及普遍性以解決當前困境。根據 Davis (1993) 對於一個有效CBL的定義，案例通常具有衝突的元素、講述真實且引人入勝的故事場景，簡潔陳述有關人物、地點、背景、行動的資料來促進與中心人物之同理心，即便在缺乏明顯或明確答案的案例中，仍可鼓勵學生思考並採取立場，因應當下對現實世界的情況做出判斷。

由於CBL涉及引導式探究，並以透過「親自或直接參與」的建構主義為基礎，    讓學習者與知識和環境互動而形成新的意義（Lee, 2012）。案例與解決方案讓學習    者解決不同困境的案例，甚至亦以「不可行」做為解決方案中的評論意見。新加坡    國大化學系在環境化學這門課程中，針對垃圾掩埋場的選址議題讓學生以Poll            verywhere（即時互動軟體）主動參與以表達意見，過程連結成長回憶、經濟脈          絡、  生態環境及人文地標等相關地理位置，在學生依據地理知識選擇後、重新反    思後再做選擇，並以匿名投票來增加學習者的心理安全。討論過程中，引導學生      說明選擇這些答案的邏輯思考，強調作答動機、鼓勵完整的作答及呈述過程，討論    具創意但未必可實踐的想法，諸如風向對垃圾掩埋場位置設置之考量。

人的學習是從行為、認知及經驗中建構，因此教學應重視學習過程，以CBL找出各種可能的結果後再讓學習者做出選擇。如同開放式的評量考試，讓學生在具學識的基礎上，依據所給予的事實作邏輯推理及思考能力訓練。批判性思考本身並無標準答案，這是因為過程中連結不同的自然科學及社會科學（Mahaffy et al., 2018）。未來的公民應強調學習如何與人、環境、社會、政策之間做包容相處，讓學生知道真正免費或絕對無害的事物並不存在。唯有走出學習的舒適圈，並以自主學習及批判性思考促進對事實、證據、觀察結果和論證分析的判斷，方可從過程中獲得當代新知識（Fung & Watts, 2019）。

二、系統思考   

系統思考（Systems Thinking，ST) 被認為在未來永續教育中至關重要的關鍵能力之一，與學習過程中所獲取的知識同等重要。化學的學科本質涉及物質轉化、合成及分析（Mahaffy et al., 2019），原理強調以分子間作用力詮釋巨觀現象，對人類健康福祉及環境影響極大，與地球及社會系統有所聯結，絕非盲從死記的學習歷程。在科學現象的研究過程中，系統性的思維邏輯會先列出欲解決的問題、比較相關的案例、找出可能的原因、答案或衍生的問題，最後才是控制實驗參數來證實。發展化學的思維方式有助於深入了解物質的本質，並透過與生物、環境及物質之間作用所發展的生物學、地球科學及材料科學，了解系統中各項變因是如何關聯。而化學的學習者也藉由概念區分，佐以系統性及循環性的推理來理解複雜系統的運作過程及其主要機制，最終將其融合並應用於解決真實問題。

為了幫助學生解決不明確的真實問題，國際化學教育的改革逐漸強調化學學習過程的思維方式（Orgill et al., 2019）。其重要性雖已廣泛被認可，然而目前化學的高等教育尚未重視這樣的教學方式，導致多數的學生無法有效學習。追根究底，主流的化學教育強調以分段方式來學習基礎概念，並非以問題導向來建構學習思考的過程。例如，學生都知道鑽石和石墨由碳組成，卻不知道如何解釋兩者之間的性質差異。當學習者發展至一定程度的化學思維，首要能提出「物質是由元素鍵結並形成結構」等類型的問題，並強調化學鍵差異對物質的物理性質和反應的活性具影響力等邏輯思維。系統思考可應用於化學教育的例子，包括碳循環及人類活動對其之影響、開發具永續性發展的化學過程、設計符合與環境共生的新材料等。化學強調了解物質之間的複雜相互作用，未來普通化學於連結各類應用案例時（如: 氫能產生及使用)，過程中應強調以分子為核心的學習概念，檢視各類關注物質（如: 藥物及塑膠) 的合成及對生物體之影響，並以知識和民主的方式參與與科學相關的政策決策，以應對氣候變遷和能源安全等全球挑戰。

三、自我調節學習

自我調節（Self-regulated Learning，SRL)是學習者實現目標並察覺自我認知、動機和行為的反思過程。自我調節有多種相互交織的理論，但最常見的模型是將自我調節概念化，並為涉及計劃、績效和反思的一系列深思熟慮的步驟。這些步驟不僅可以自我學習、也可以自我調節改善，並隨著年齡的增長而增強。由於學生的情緒和對自己能力的信念在自我調節的發展和鍛煉中發揮關鍵作用，教師可以在學習的過程中教導學生成長心態和情緒，其對於支持和促進自我調節學習的角色至關重要。自我調節學習並不是一種與生俱來的能力，而是一種可以培養的技能（Zimmerman, 1986 & 2002)。發展這套技能可以讓學生更有效地學習，不僅為自己設定明確的學習目標、減低情緒反應、提高主動性，並根據目標和策略來監控自己的學習進度，鍥而不捨尋找參考資料、整理並分析問題、請求協助或改變問題的解決方式，同時消除不平衡的感受以設定更高的學習目標。

自我調節學習的第一步驟是規劃和設定目標（Forethought Phase）。目標是用來檢查自己進度的參考，依據自己的經驗及先備知識來判斷目標的難易程度，權衡活動需要的時間以制定管理計劃。第二步驟強調理解及自我發展的學習策略（Performance Phase），透過以行動、尋求幫助或集中注意力等方式來進行自我調節，甚至推遲令人愉悅的活動來堅持有效策略，以便在實現目標方面取得進展。第三步驟為監控自己對目標的理解、動機、感受或行為（Self-Reflection Phase)，透過後設認知並考量各項客觀因素，重新對目標進行評估及設定，使其能專注於自己的目標工作。學習者對自我能力的掌控將影響他們評估對進步或不足的看法，決定採用努力加快目標的實現，或轉移注意力於其他任務。無論是尋求幫助、堅持或改變學習策略，均可視為自我調節的方式。

自我調節對於促進學習者的後設認知、動機和策略行動的發展至關重要，且潛在的學習能力可以提高學生學業、社交、情緒和職業成就。然而，大學教研人員激勵自我決定動機、並支持如何創造促進教學發展實踐的情境條件仍具有挑戰性。在未來更廣泛的教學範圍，大學教研人員須提早學會保持開放的心態，並接受可能與我們期望不同的情況（Fung et al., 2022）。伊利諾州生醫工程專家Parinaz Fathi說「展望未來，我會提醒自己，我的職涯軌跡可以在短時間內完全改變。最好保持我們的選擇開放，並願意適應出現的新情況」，羅徹斯特大學化學系Agnes Thorarinsdottir提及「生活就是現在！你永遠不知道明天會發生什麼事。因此，不要浪費時間做你不喜歡做的事情」。疫情讓我們學會各種不同的技能並適應變化，讓我們對時間、空間有新的教學認識，並從COVID-19中，德州科技大學化學暨生化系Joshua Tropp強調「我們應掌握今天的機會，而不是明天的機會」（Fung et al., 2022）。

n  結語

化學教育課程必須與當代的社會發展及議題相結合，尤其是未來世紀瞬息萬變，考驗教學場域師生互動與共學歷程，即需透過結合基於案例的學習、系統思考和自我調節學習的學習訓練模式來培養批判性思維。又當今世界面臨的許多挑戰，如氣候變遷、能源生產，都是迫切需要面對的複雜議題，其涉及多個相互作用的運作系統。作為教育工作者，我們還必須教導學生如何學習以及如何做出明智的決定，透過系統思考與後設認知幫助學生識別並理解這些機制的互連性，並制定解決問題根源的方案。面臨決策時，重要的是要考慮該決策對所有涉及的互連系統的潛在後果，系統思考可以幫助學生權衡潛在的問題，並做出符合整個系統最佳利益的決策。

最後，身為大學的教研人員，我們有責任引導學生了解自己在世界上的角色以及行為可能對他人對環境所產生的影響，成為負責任的世界公民。透過上述教學案例或模式可以幫助教師開發更有效、更有吸引力的課程，不僅可以幫助學生了解化學與周圍生活及世界的關連性，還可引導學生在面對不確定高的未來，取得知識公民所需的批判性思維和解決問題的技能。

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n  附錄

    本文第一作者馮寬文博士，任職於新加坡國立大學化學系，目前擔任新加坡國家代表在國際純粹與應用化學聯盟化學（IUPAC）教育委員會任職、新加坡國家化學研究所 （SNIC）理事會及美國化學學會《Journal of Chemical Education》的編輯顧問委員會成員。有興趣者可查看https://discovery.nus.edu.sg/3665-fun-man-fung/publications