臺灣化學教育

《臺灣化學教育》慶祝十週年專刊：

3D果凍花的色彩實驗廚房

賴意繡

國立臺灣海洋大學
生命科學暨生物科技學系

d0095@email.ntou.edu.tw

n  簡介

多年前，在一家餐廳用餐時被端上桌的果凍花所吸引，引發對這美味點心背後製作過程的好奇心。於是，向廚師打探，得知果凍花是使用花針將彩色果凍液注入製作成的。返家後，經由YouTube上尋找相關教學影片 （上優文化，2019 ; 卞柔勻，2023），加上自身擁有的食品科技背景，便興起了在課堂中教導學生DIY製作果凍花（見圖1）並融入食品化學知識的想法。

本校（國立臺灣海洋大學）近年高教深耕計畫推動跨領域發展及自主學習，提供《微學分通識課程》，以2小時核計0.1學分的原則，教師可採多元教學方式，如演講、工作坊等呈現。因此，我開設了「生活化學」微學分課程，其中的2小時「3D果凍花DIY」單元，採用教學影片（影片網址https://youtu.be/dVfGxiNijb4）與實作相結合的混成教學方式，以提升教學與學習效果。此微學分課程已進行三學期，由於是DIY工作坊的形式，所以修課人數上限為20人，到目前為止共有52位學生修過本通識課程，學生來自不同學院，分別有海運學院、工學院、海洋法律與政策學院、電機學院和生命科學院，回饋極佳，表達他們對製作色彩鮮豔可食用的果凍融入學習化學原理的興趣。

課程中，我們使用天然食材的色素（而不使用可能具有食安問題的人工色素），讓學生親自體驗萃取色素並創作美麗的果凍花。這不僅可引發他們對食材的熱情，也激發了對視覺和味覺享受的興趣。此外，透過日常食品如雞腳凍、肉凍等，引入「膠體化學」觀念， 這正是「廚房化學」中的一個重要範疇。根據Lauren K. Wolf（2012）的研究，藉由「廚房化學」將在廚房中發生的各種化學過程，從基本的食材變化到複雜的反應機制，可於課程活動中向學生展示這種教學實踐模式，不僅使學生能夠理解科學原理，還能夠在日常生活中應用這些知識。

圖1：立體果凍花

n  課程原理與概念

一、果凍凝膠

生活中的雲霧、黑煙、髮膠、蛋黃醬、牛奶、豆腐、果凍等都是膠體物質（Colloids，2024， In Wikipedia）。膠體的分散相（dispersed phase，即溶質）的粒徑介於1-1000 nm範圍，懸浮於分散介質（dispersion medium，即溶劑）中，且具有廷得耳效應（Tyndall effect），具有可散射光的特性。本微課程單元討論的果凍是以鹿角菜膠為固態分散介質、水為液態分散相，組合而成的凝膠（gel）。「果凍凝膠」在外觀上與固體相似，雖其主要成分是水，但由於鹿角菜膠聚合物鏈，透過交聯作用，在水中形成三維交聯網絡，使水分散在固態網絡中，而失去了部分單獨流動的能力，形成凝膠。

二、天然色素

食品加工過程常使用許多色素作為食品添加劑，但生活中有許多食物之萃取液即是非常好的天然食用色素，且可避免使用具有食安問題的人工色素。例如：抹茶粉的葉綠素作為綠色色素，火龍果作為紅色色素，主要來自天然的類胡蘿蔔素和花青素。製作果凍花使用來自植物、水果或其他食材的天然成分。與合成色素相比，天然色素符合現代消費者對天然和健康食品的需求。新鮮食物天然色素中不僅含有色素本身，還包含天然營養素。這些營養素包括維生素、礦物質、抗氧化劑等，為果凍花增添了更多的營養價值。

n  材料

1.     器具：10 mL針筒、19 G針頭、轉盤、模具、花針、濾袋、水浴鍋及鋼杯、卡式爐，如圖2所示。

圖2：器具

2.     透明果凍底

果凍粉10 g，水或飲料1000-1500 mL，白糖100 g，口感可依個人喜好調整。

3. 彩色果凍底

基本配方：果凍粉10 g，水600 mL，椰漿300 mL，牛奶或鮮奶油300 mL，白糖150 g。可用抹茶粉、火龍果、黃梔子果等食材，以食用水萃取色素，其中火龍果是冷凍後再解凍，取其解凍後的果汁濾液，製作不同色彩的果凍底，果凍花調色製作參考卞柔勻 （2023）。如圖3所示。

圖3：各種天然食材色素提供果凍調色

n  製作方法

1.         準備模具和花針：清洗乾淨。以下製作方法皆參考（上優文化，2019）。

2.         製作透明果凍底：食用水以小火加熱至不煮開，將適量的果凍粉和糖加入，持續攪拌，直到液體開始沸騰。此時，將火調至中小火，繼續加熱至液體稍微變濃稠，但不要煮沸太長時間，以免影響口感，然後以過濾袋進行過濾，除去溶解不完全的果凍粉凝塊。

3.         製作彩色果凍底： 同上述2. 的方法將果凍底溶解完成，加入天然食材色素，根據需要調整顏色濃淡，分杯、並全程沸水浴，避免果凍液膠凝。 

4.         注入模具：將透明果凍底稍微冷卻後，將其慢慢注入事先準備好的耐熱模具中，小心不要溢出。

5.         冷卻膠凝：將填滿果凍液的模具放入冰箱中，讓果凍冷卻膠凝。這一過程可能需要幾個小時，視乎果凍的厚度和冰箱的溫度。

6.         以花針注入：請根據影片演示，利用花針注入彩色果凍液，製作果凍花的過程可以根據個人創意進行，以創造出獨特的花朵。如圖4所示。

7.         脫模：利用盤子倒扣取出，就完成我們既好看又美味的3D果凍花！

圖4：利用花針注入彩色果凍液

n  影片觀賞

搭配「生活化學」微學分課程之「膠體食品化學」單元所製作之教學影片（如圖5），介紹膠體食品化學和食材色素的萃取原理，說明運用廚房器具製作立體果凍花過程，讓學生體驗有趣的廚房化學。

  圖5：影片網址：果凍花膠體食品化學，https://youtu.be/dVfGxiNijb4 ，或掃描QR code。

n  安全注意與廢棄物處理

本果凍花DIY教程使用無毒性器材和食材，可完全回收再利用。使用花針時請小心，避免刺傷，全程高溫操作時需注意防燙。

n  教學指引

1.  在製作果凍花時，為了防止天然色素在高溫下褪色，建議採用少量多次的方式配製顏色果凍底，以縮短高溫時間，確保顏色保持鮮艷。

2.  果凍粉在80℃以下會逐漸凝固，對於初學者在注射果凍花時，為避免花針堵塞，建議可以事先用熱水溶解凝固的果凍，並反覆沖洗花針以解決問題。

3.  蝶豆花萃取液中含有花青素，呈現藍紫色的特性。通過加入檸檬汁或小蘇打，可以使顏色分別變成紅色或綠色。在DIY過程中，使用不同酸鹼度的食材，讓學生嘗試調製出他們理想的顏色，這有助於他們理解蝶豆花萃取液中的花青素是一種天然酸鹼指示劑。

4.  教師可引導學生探究日常生活中各種顏色豐富的食材可應用到3D果凍花的製作或其他烹飪活動中。色彩豐富的食材，可以成為探究與實作的素材，同時培養他們的創造力和探究精神。

5.  教師可鼓勵學生進行課後研究，例如探討基隆在地特色之「石花凍」是否也具有製作成3D果凍花潛力，以激發學生對當地食材和傳統點心的創新思考。

n  教學特色

1. 實用性教學： 廚房化學強調將科學原理應用於日常生活中，使學生能夠理解和應用化學知識，解釋食物的製作和變化過程。

2. 混成教學：以「影片＋實作」混成教學法，將課堂實作和數位學習環境結合，使學生能夠在實際場域中學習，同時享受線上學習的便利。

3. 多元背景交流：本微學分課程安排學生實作《3D立體果凍花》單元，吸引不同學科背景的學生一起參與，促進學科交流和合作，拓寬學生的知識視野。

4. 跨域學習：本微學分課程《3D立體果凍花》單元，不但讓學生了解生活化學，同時於製作果凍花過程中，培養其美學素養。

5. 經濟環保：強調使用簡便廚房器具，降低學習門檻，並以天然食材進行實作，經濟環保，符合永續化學精神。

n  學生預期學習表現

1.     實際運用食品化學知識：

能夠將在課堂上學到的食品化學知識實際應用於3D果凍花的製作，理解食材在製程中的互動和化學變化。

2.     細緻的實驗技巧發展：

透過仔細的觀察和操作，發展細緻的實驗技巧，包括準確的色素注入、冷卻時間的掌握等，以確保製作過程的順利進行。

3.     獨特創意和設計展現：

展現獨特的創意視野，將個人風格融入果凍花的設計中，發揮對美學和設計的敏感性。

4.     巧妙應用膠體化學原理：

巧妙運用膠體化學原理，深化對果凍花製程中膠體化學的理解，使之成為創意製作的基石。學生在實際製作過程中運用知識、培養實驗技巧和觀察力，並強調了對美學和設計的發揮。

n  結語

3D果凍花DIY為《微學分通識課程》其中一堂2小時的教學單元，目的是要啟發學生對食品化學的興趣和理解，如膠體食物之高分子交聯反應，透過果凍花的製作，激發學生的創意思維，藉由實際廚房實驗，讓學生在日常食品中發現化學的美妙，激發對廚房化學的持續興趣為教學目標。

3D果凍花的製作涉及食品科技和食品化學的知識，因此可以與食品科技相關的課程相結合。如：食品科技課程、化學實驗課程、生活科技課程、環境科學與永續發展課程。由於還涉及到創意和設計與不同文化的飲食習慣相結合，也適用於：文化與飲食課程、生活科技創意設計、手作藝術等。

另外，適逢「台灣化學教育」期刊成立十周年，獻出第一部教學影片慶祝，共襄盛舉。

n  致謝

感謝本校共教中心提供開設課程所需之相關經費。感謝臺大化學系佘瑞琳講師，建議撰文發表此微課程教學影片，以推廣本校教學研究成果。

n  參考資料

上優文化（2019）。卞柔勻老師示範–心靈療癒的3D果凍花。取自YouTube. https://www.youtube.com/watch?v=V-79-CAWHRY 

卞柔勻 （2023）。 果凍花調色製作，卞柔勻 – 果凍少奶奶，果凍花天然蔬果顏色。取自YouTube. https://www.youtube.com/watch?v=hi7J1E6BtQQ

Lauren K. Wolf, (2012). Kitchen Chemistry Classes Take Off. Chemical & Engineering News, 90 (36), from https://cen.acs.org/articles/90/i36/Kitchen-Chemistry-Classes-Take-Off.html

Colloid.In Wikipedia, the free encyclopedia. Retrieved February 15, 2024,
from  https://en.wikipedia.org/wiki/Colloid

坎尼札羅對原子量和分子量的探索

游文綺、胡景瀚*

國立彰化師範大學化學系
*chingkth@cc.ncue.edu.tw

n  前言

十九世紀上半世紀，科學家對於原子相對質量的認識陷入混亂。例如：道爾頓（John Dalton）認為氫、氮及氧的相對原子量分別是1、5及7。在1858年，義大利科學家斯坦尼斯勞·坎尼札羅（Stanislao Cannizzaro, 1826–1910）透過實驗結果準確地證實亞佛加厥（Amedeo Avogadro）的分子假說（Amadeo Avogadro, 1811），成功地揭開原子世界的謎團。坎尼札羅的重要發現（Stanislao Cannizzaro, 1858）是

1.       等體積的氣體中包含相同數量的分子，但原子數量不同；

2.       氫分子、氧分子、鹵素分子都包含兩個相同的原子，金屬中的原子皆個別存在；以及

3.       運用氣體密度和杜龍–柏蒂定律（Dulong–Petit law）決定原子量。

坎尼札羅的圖像如圖1所示，他將氫氣的密度定為2，將其視為2個原子的組成。分析氣體分子的密度後得到正確的相對原子量，以及分子的原子組成。他提出的正確原子量幫助門得列夫製作出週期表。坎尼札羅的論文如同一部時光機，讓我們回到十九世紀的科學思維。本文作者導讀該文部分的內容如下所述，以便快速地瞭解早期坎尼札羅提出原子量和分子量的探索歷程。

圖1：斯坦尼斯勞·坎尼扎羅

（圖片來源：Stanislao Cannizzaro, Wikipedia,
https://en.wikipedia.org/wiki/Stanislao_Cannizzaro.）

n  關於原子質量的探索之路

坎尼札羅的探索歷程並非一帆風順，他以系統性分析，揭示當時科學家們在追尋原子質量之路上所經歷的謎團。他堅信最新的科學發現已經驗證亞佛加厥（Amedeo Avogadro）定律、安培（André-Marie Ampère）理論及杜馬斯（Jean

Baptiste André Dumas）原子理論。亞佛加厥在1811年發表亞佛加厥定律：相同體積的任何氣體，在相同的溫度和壓力下，具有相同數量的分子（Wikipédia, 2024）。安培於1814年獨立於亞佛加厥發表同樣的定律，也得出類似的結論。杜馬斯於1826年發表原子理論，並制定透過蒸氣密度確定原子量的方法（Pasteurbrewing, 2024）。然而，坎尼札羅特別強調等體積的氣體中含有相同數量的分子，但原子數量不同，在研究原子重量時切勿混淆數量和重量，並需要明確區別分子和原子。

坎尼札羅直言不諱地指出當時科學界的困擾來自於對元素和原子觀念的混淆。他也指出研究原子的科學家們必須要先理解關於氣態物質的性質以及給呂薩克定律的重要性。給呂薩克定律：同溫同壓下，氣體相互之間依簡單體積比進行反應，生成的氣體產物也與反應氣體的體積成簡單整數比。

當時，整個化學界深受貝采利烏斯（Jöns Jacob Berzelius）的思想影響，使得坎尼札羅的理論難以獲得廣泛認同。大多數化學家對於他所提出的有關氣態物質相似組成的理論保持懷疑，認為這與當時所接受的事實背道而馳。當時化學界所接受的解釋主要為貝采利烏斯的電化二元論（Electrochemical dualism）和在當代就鼎鼎有名的道爾頓思想。電化二元論認為原子帶電荷，化學反應是電荷相反的原子相互中和，因此，氫氣或氧氣就只能是單一原子，不可能是雙原子分子，這個理論間接說明沒有雙原子分子的存在。道爾頓也認為純元素的物質都是以單原子的形式存在。貝采利烏斯的理論雖然合理，卻隱藏一個重大的錯誤，一個我們今日輕而易舉能夠辨識的錯誤。他堅信鹽酸（氯化氫）、溴化氫、碘化氫、水和硫化氫都含有相同數目的氫，這種觀點在當時的學術氛圍中竟然得到一定程度的認同。坎尼札羅已經敏銳地看到觀念背後的盲點，他指出只需要區分原子和分子，就能調和貝采利烏斯的實驗結果，並適用於所有情況。

上述的研究都是物質在氣態狀態下進行，當時物理學家對氣態物質做出許多研究，包含1858年克勞修斯（Rudolf Clausius）提出的動力學觀點，許多研究都顯示出氣體分子之間的距離僅取決於溫度和壓力，而與它們的性質、質量和分子內的原子數量無關（Rudolf Clausius, 1858）。這一結論不僅是理解氣體物質特性的關鍵，也為給呂薩克定律的解釋提供基礎。

n  揭示元素重量背後的驚人發現

坎尼札羅深信當時科學家之間的歧見與誤解主要源於對原子與分子差異的不瞭解。為了解決這個問題，他堅持應用亞佛加厥和安培的理論，這也成為他論述的基石。他提出的第一個觀點是視氫氣為標準單位，一體積氫氣密度定為2，這樣氣體的相對密度就可以視為分子的相對質量。他開始研究物質在氣態狀態下的密度，也就是分子的相對質量來確定各種化合物，並且對其進行元素分析，如表1所示，此表僅列出原著的部分物質，而且表中的英文元素符號為本文作者所加。然而，同一物質在其不同的同素異形體狀態下，具有不同的分子量，這一點還需要進一步確認。

表1：單位體積物質的重量及其重量組成

表2：單位體積物質的元素組成及其重量組成

*H = 1、C= 12、O= 16、S= 32；有些分子組成的上標數值為原著的表示方式，與現代表示方式不同。

        坎尼札羅在此表格中揭示化合物的原子組成，但是對於化合物分子的表示方式，杜馬斯提出一個有趣的問題。在他那本經典的論文《關於原子理論的若干問題》中，杜馬斯暗示一個困擾化學家的問題—如果化合物中元素的係數與組成的氣體體積有關，那麼很多係數會是分數，可能會增加表達的複雜性

n  鹵素化合物的重新詮釋

        舉例來說，針對鹵素化合物，由於我們知道它們在氣態下的密度，因此可以從氯化氫、溴化氫及碘化氫的密度得到氯、溴及碘原子的質量。然而，若要使用分子體積來表示原子的重量，則可能會遇到一些不便之處。例如：物質無法被氣化時就無法確定分子的重量，同素異形體（allotropic states）的質量也可能不同，這會使化學式的表示形式變得繁複。為了解決這些問題，坎尼札羅提出化合物分子組成用原子表示的論點。如果我們使用原子來表示分子的組成，就可以清晰地看出類似的化合物在其分子中含有相同數量的原子。

解決化合物分子的表示方式之後，坎尼札羅注意到在鹵素化合物中，運用密度從氯化汞和氯化亞汞的分子量推論到汞的原子量都是200。令人驚訝的是，這數據與現代原子量非常接近，卻與同時期科學家所接受的汞原子量為100的數值截然不同。坎尼札羅強調氯、溴及碘原子的質量都是其氣體分子的一半，分別是35.5、80及127。

為了進一步驗證汞的原子量，坎尼札羅運用另一種類似於杜龍–柏蒂定律（Dulong–Petit law）的方式，即固體的比熱〔單位：cal/(°Cg)〕乘以其原子量為一常數，可以驗證汞的原子量近於200，如表3所示。

表3：元素經過杜龍–柏蒂定律驗證結果

坎尼札羅繼續深入挖掘鉀、鈉、鋰及銀的氯化物、溴化物及碘化物的組成，這些元素彼此間只有一種化合物。首先，他大膽假設這些化合物的組成是1：1，然後通過各自的比熱，得到與之前研究的物質相同的原子量。值得一提的是，儘管缺乏具體證據，坎尼札羅認為鋰、鈉、鉀及銀等電元素的分子式分別為Li²、Na²、K²、Ag²（上標數值為原著表示方式）。也有部分金屬氯化物是二氯化物的結構，也就是說，對每個金屬都攜帶著兩個氯原子，也可用杜龍–柏蒂定律檢查組成，分子的原子數目為3，如表4所示。

表4：化合物經過杜龍–柏蒂定律驗證結果

*分子式的上標數值為原著的表示方式，與現代表示方式不同。

n  金屬自由基飽和能力的差異

坎尼札羅觀察到金屬原子和氯原子結合時，有的與一個氯原子結合，有的則與兩個氯原子結合。他認為分子組成上的不同是因為在化合物中各種金屬飽和能力（capacity for saturation）的不同。1個帶正電的氫原子會被1個帶負電的氯原子飽和。他以氫原子作為類比，指出在不同情況下，金屬原子相當於1個或2個氫。例如：甘汞（Hg²Cl²）的汞原子的飽和能力相當於1個氫，而在腐蝕性昇華的氯化汞（HgCl²）中，汞原子的飽和能力相當於2個氫。鉀、鈉及銀的飽和能力相當於1個氫，而鋅、鉛、鎂及鈣等的飽和能力相當於2個氫。根據這個結果，坎尼札羅更加確信貝采利烏斯的錯誤，因為電化學二元論排除同核雙原子分子的可能性。

在原子之亂多年以後，坎尼札羅在1960年國際化學大會—卡爾斯魯厄會議（Karlsruhe conference）中分享這篇文章，指出令科學界困惑的數據主要來自對於原子和分子的觀念上混淆，也明確定義原子為元素的最小單位，這讓科學界重新檢視亞佛加厥所提出的假說，解決關於決定原子質量長久的混亂局面。

n  參考文獻

Amadeo Avogadro (1811). Essay on a manner of determining the relative masses of the elementary molecules of bodies, and the proportions in which they enter into these compounds. Journal de Physique. vo1. 73, pp. 58-76. [Alembic Club Reprint No. 4]

Pasteurbrewing (2024). Jean Baptiste Dumas (1800-1884). Retrieved March 1, 2024 from https://www.pasteurbrewing.com/jean-baptiste-dumas/.

Wikipédia (2024). Loi d’Avogadro. Retrieved March 1, 2024 from https://fr.wikipedia.org/wiki/Loi_d%27Avogadro.

Rudolf Clausius (1858). On the mean lengths of the paths described by the separate molecules of gaseous bodies. The Kinetic Theory of Gases: An Anthology of Classic Papers with Historical Commentary. History of Modern Physical Sciences. vol. 1, pp. 135-147.  (Originally published under the title “Ueber die mittlere Länge der Wege, welche bei Molecularbewegung gasförmigen Körper von den einzelnen Molecülen zurückgelegt werden, nebst einigen anderen Bemerkungen über die mechanischen Wärmetheorie”, Annalen der Physik, Vol. 105, pp. 239–58 (1858).

Stanislao Cannizzaro (1858). Lettera del Prof. Stanislao Cannizzaro al Prof. S. de Luca; sunto di un corso di filosofia chimica, fatto nella R. Universita’ di Genova. Nuovo Cimento, vol. 7, pp. 321-366. 

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
fun.man@u.nus.edu, ²yliu@ntnu.edu.tw

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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Zimmerman, B. J. (2002). Becoming a self-regulated learner: An overview. Theory Into Practice, 41(2), 64-70.

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

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 與 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 與 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的元素，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 與 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 與 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，此一系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可以完全呼應系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。

圖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.

               圖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。

               圖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1的SOCME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。

               圖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。

               圖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。

      圖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。

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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

chun-hung.wang@npc.edu

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/