系統(tǒng)化思維在科學(xué)概念體系構(gòu)建中的價(jià)值和作用

周丐曉 劉恩山

（1 北京師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 北京 100875 2 溫州大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院 浙江溫州 325035）

強(qiáng)調(diào)概念的深入理解及科學(xué)概念體系的有意義構(gòu)建，已成為各國(guó)課程改革的共識(shí)及愿景，系統(tǒng)化思維（systems thinking）是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的有效途徑［1］。當(dāng)前系統(tǒng)化思維在學(xué)校課程中的融入，已成為國(guó)際理科課程改革的重要議題，已有部分教育發(fā)達(dá)國(guó)家將系統(tǒng)化思維相關(guān)內(nèi)容成功融入本國(guó)的科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)中，例如美國(guó)2013年頒布的《新一代科學(xué)教育課程標(biāo)準(zhǔn)》［2］，以跨學(xué)科概念的形式將“系統(tǒng)和系統(tǒng)模型”作為科學(xué)學(xué)習(xí)的重要內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)其理科課程改革“深入理解核心概念和跨學(xué)科概念”的教育目標(biāo)。我國(guó)近期的理科課程設(shè)計(jì)與發(fā)展也密切關(guān)注科學(xué)概念體系的構(gòu)建，例如2011版初中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)［3］將幫助學(xué)生構(gòu)建結(jié)構(gòu)良好的科學(xué)概念體系，作為概念學(xué)習(xí)的重要目標(biāo)。本文探討了國(guó)際課程改革背景下系統(tǒng)化思維研究的理論溯源、內(nèi)涵，及其與科學(xué)課程中概念體系的意義構(gòu)建之間的聯(lián)系，以期為我國(guó)理科課程改革和學(xué)生構(gòu)建結(jié)構(gòu)良好的概念系統(tǒng)等方面提供一定的啟示和依據(jù)。

1 系統(tǒng)化思維的內(nèi)涵本質(zhì)

在英文文獻(xiàn)中，系統(tǒng)化思維常用“system thinking”和“systems thinking”表示，而國(guó)內(nèi)常將“systems thinking”翻譯為系統(tǒng)思考，目前對(duì)其概念的界定仍未達(dá)成一致。當(dāng)前，許多科學(xué)教育者對(duì)“系統(tǒng)化思維”的內(nèi)涵進(jìn)行了研究并給出了不同界定。

美國(guó)國(guó)家研究理事會(huì)（The National Research Council）將系統(tǒng)性思維定義為：能夠理解一個(gè)完整的系統(tǒng)是如何運(yùn)作的；系統(tǒng)中一個(gè)部分的改變，行為和故障對(duì)其他部分的影響；在工作中采用全局視角分析問題；它包括判斷和做決策，系統(tǒng)分析、系統(tǒng)評(píng)價(jià)和對(duì)影響工作的不同要素如何相互影響的抽象推理能力［1］。美國(guó)科學(xué)教育著名學(xué)者拜比教授（Bybee）［4］認(rèn)為，科學(xué)教育中系統(tǒng)化思維指的是：理解系統(tǒng)；理解系統(tǒng)的一個(gè)部分如何影響其他部分；能夠在全局背景下系統(tǒng)分析問題；判斷和決策能力；系統(tǒng)分析和評(píng)價(jià)；抽象推理系統(tǒng)中元素間的關(guān)系。切克蘭德（Checkland）［5］認(rèn)為，系統(tǒng)化思維也是一套概念框架或話語體系，可以運(yùn)用其整理人們的思想，這是各種思維方式的共性；而作為一種特殊的思維方式，系統(tǒng)化思維的個(gè)性是借助“系統(tǒng)”這個(gè)詞所把握的整體性概念整理人們的思想，強(qiáng)調(diào)把握對(duì)象的整體性，強(qiáng)調(diào)將思維成果系統(tǒng)化。康納（Connor）等［6］認(rèn)為：系統(tǒng)化思維使人們的思考過程超越事物間相互關(guān)系表現(xiàn)出的外部表征現(xiàn)象，從而看到潛在的決定其表征現(xiàn)象的內(nèi)在結(jié)構(gòu)；系統(tǒng)化思維即整體地看待事物，也從各個(gè)部分看待事物，還要看到各部分間的聯(lián)系，研究整體也是為了理解部分。

綜上所述：系統(tǒng)化思維的內(nèi)涵包括廣義和狹義2個(gè)方面，狹義的系統(tǒng)化思維特指對(duì)“系統(tǒng)”概念的深入理解。而廣義的系統(tǒng)化思維是一種思考問題的元認(rèn)知策略和方法，包括3個(gè)要素：理解系統(tǒng)如何運(yùn)作、系統(tǒng)分析和評(píng)價(jià)，以及判斷和決策能力。它強(qiáng)調(diào)從系統(tǒng)的角度思考和分析問題，首先理解組成系統(tǒng)的各個(gè)元素的結(jié)構(gòu)和功能，各元素之間的內(nèi)部行為關(guān)系，以及系統(tǒng)作為一個(gè)整體是如何運(yùn)作的，其次在重新審視原問題情境的基礎(chǔ)上模擬系統(tǒng)的內(nèi)部行為過程，將內(nèi)隱的心理活動(dòng)通過語言文字、圖表、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)等外部行為表征出來，從而作出判斷和決策并解決實(shí)際問題。具備系統(tǒng)化思維能力的人應(yīng)能夠理解系統(tǒng)概念，并在理解系統(tǒng)概念的基礎(chǔ)上應(yīng)用系統(tǒng)方法模擬分析系統(tǒng)，最終作出明智的判斷和決策。

2 系統(tǒng)化思維在科學(xué)課程中的適切性

將系統(tǒng)化思維納入課程改革范疇中，需首先確定系統(tǒng)化思維在科學(xué)課程中的適切性。從認(rèn)知水平來說，系統(tǒng)化思維屬于高階思維，但這并不意味著中、小學(xué)科學(xué)課程中難以融入系統(tǒng)化思維，本文從學(xué)生的認(rèn)知情況和科學(xué)課程的設(shè)置2個(gè)方面，闡述系統(tǒng)化思維在科學(xué)課程中的適切性問題。

首先，已有一系列實(shí)證研究指出，中、小學(xué)生均有應(yīng)對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的能力、具有發(fā)展系統(tǒng)化思維的潛力。例如在地球科學(xué)領(lǐng)域，阿薩拉夫等［7］研究了小學(xué)生和初中生在地球科學(xué)中發(fā)展系統(tǒng)化思維的可能性，并得出結(jié)論：不論小學(xué)生還是中學(xué)生都具備處理復(fù)雜系統(tǒng)的潛力，且地球科學(xué)可以幫助培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)化思維。科妮莉亞（Cornelia）等［8］研究了小學(xué)生在生物學(xué)課堂中發(fā)展系統(tǒng)化思維的可能性，并得出小學(xué)生可以在生物學(xué)課學(xué)習(xí)中發(fā)展系統(tǒng)化思維的結(jié)論。 瑪麗亞（Maria）等［9］的研究也表明小學(xué)生有能力發(fā)展系統(tǒng)化思維。凱爾斯特（Kerst）等［10］研究了在生物學(xué)教育中發(fā)展系統(tǒng)化思維的可能性，指出系統(tǒng)化思維引入生物學(xué)教育是有潛力的。此外，系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)也很關(guān)注如何培養(yǎng)人們系統(tǒng)思考的能力，每年的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)大會(huì)都會(huì)有這方面的研究。研究表明成人不是直覺的系統(tǒng)分析者［11］，兒童學(xué)習(xí)系統(tǒng)思考的速度相當(dāng)快，每個(gè)人都具備成為系統(tǒng)思考者的潛能，即使教育中的線段式思考也無法將人的這部分潛能完全抑制下去［12］。此外，我國(guó)也有相關(guān)的實(shí)踐研究，例如南京市教育局系統(tǒng)思考課題組以系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)為理論基礎(chǔ)，利用STELLA軟件為輔助工具，在高中開設(shè)《系統(tǒng)思考》校本課程并取得良好效果，證明了系統(tǒng)化思維具有融入中學(xué)課堂的可能性。

其次，當(dāng)前國(guó)際科學(xué)課程已開始關(guān)注系統(tǒng)化思維在科學(xué)教育中的培養(yǎng)，多個(gè)地區(qū)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)中均涉及相關(guān)內(nèi)容。例如，美國(guó)的紐約州及華盛頓州、加拿大安大略省、澳大利亞等地區(qū)的科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)中，以跨學(xué)科概念“系統(tǒng)”或系統(tǒng)化思維的形式，強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)思想在科學(xué)課程學(xué)習(xí)中的重要性，此外，在當(dāng)前國(guó)際科學(xué)課程改革中起著風(fēng)向標(biāo)作用的美國(guó)新版《K-12科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》中，也以跨學(xué)科概念的形式明確提出“系統(tǒng)和系統(tǒng)模型”，旨在發(fā)展學(xué)生從系統(tǒng)的角度分析思考問題的能力。以上說明系統(tǒng)化思維在科學(xué)課程中具有特殊的價(jià)值與地位，并將其融入課程標(biāo)準(zhǔn)，可被視為科學(xué)課程改革的一種有意義的嘗試。

3 系統(tǒng)化思維在科學(xué)概念體系構(gòu)建中具有重要作用

當(dāng)前系統(tǒng)化思維的研究已受到廣泛關(guān)注，特別是近年來美國(guó)等教育發(fā)達(dá)國(guó)家的科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)中相繼出現(xiàn)相關(guān)內(nèi)容，探討系統(tǒng)化思維在科學(xué)概念體系構(gòu)建中的價(jià)值和作用，已成為國(guó)際理科課程改革的新議題。科學(xué)概念具有層次和結(jié)構(gòu)，概念之間包含邏輯關(guān)系，科學(xué)概念的學(xué)習(xí)是一個(gè)有層次結(jié)構(gòu)且互相聯(lián)系的復(fù)雜系統(tǒng)。因此，學(xué)習(xí)者形成科學(xué)概念體系，有助于實(shí)現(xiàn)科學(xué)概念的有意義學(xué)習(xí)和深入理解，而系統(tǒng)化思維在促進(jìn)學(xué)習(xí)者科學(xué)概念系統(tǒng)的發(fā)展和有意義構(gòu)建方面有重要意義。

3.1 科學(xué)概念具有層次結(jié)構(gòu)，概念的學(xué)習(xí)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng) 科學(xué)概念具有層次和結(jié)構(gòu)，概念之間存在上、下位的層次關(guān)系，一個(gè)上位的科學(xué)概念之下有眾多的下位科學(xué)概念及其概念之間的聯(lián)系。奧蘇貝爾［13］認(rèn)為：概念不是一段孤立的詞句，而是一個(gè)層次性的結(jié)構(gòu)，知識(shí)之間有上、下位關(guān)系。 進(jìn)一步地，肖沃爾特（Showalter）［14-15］根據(jù)科學(xué)概念有邏輯且互相關(guān)聯(lián)的特征，構(gòu)建了由7層概念組成的科學(xué)概念的結(jié)構(gòu)，即：知覺感受、直接概念、事實(shí)概念、定律概念、創(chuàng)設(shè)概念、原理概念及理論概念。7層概念有上、下位之分，理論概念是層次最高的概念，囊括了各類下位概念及概念之間的聯(lián)系。由此可知，科學(xué)概念不僅是對(duì)客觀事物的本質(zhì)描述，還是一種更復(fù)雜的概念體系，其中包含了事物的內(nèi)在屬性、事物的深層結(jié)構(gòu)，以及事物之間的邏輯關(guān)系，即科學(xué)概念的學(xué)習(xí)是一個(gè)有層次結(jié)構(gòu)且互相聯(lián)系的復(fù)雜系統(tǒng)。

與此同時(shí)，蘇珊（Susan）等［16］指出，在科學(xué)教學(xué)中，一些科學(xué)概念難以教授，其中的一個(gè)原因就是這些概念的學(xué)習(xí)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，有許多相互聯(lián)系的部分和片段，通常包含有多種組織水平，只有理解了這個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)子概念及子概念之間的關(guān)系，才能深入理解這一科學(xué)概念，僅僅對(duì)概念系統(tǒng)各部分的機(jī)械記憶，無法構(gòu)建對(duì)概念系統(tǒng)整體復(fù)雜性的理解，例如細(xì)胞活動(dòng)影響組織、器官甚至環(huán)境的功能。 阿薩拉夫（Assaraf）等［17］的研究表明，當(dāng)學(xué)生描述地球水循環(huán)的過程時(shí)，學(xué)生的陳述只包括片段的知識(shí)，缺少動(dòng)態(tài)循環(huán)和系統(tǒng)的觀點(diǎn)。即學(xué)生對(duì)某一主題的若干概念的理解始終停留在一個(gè)局部的、靜態(tài)的、片斷的、線性的、單一層面的、缺少聯(lián)系的初級(jí)水平，無法達(dá)到一個(gè)整體連貫、相互聯(lián)系的高級(jí)水平，在科學(xué)概念的學(xué)習(xí)中，學(xué)習(xí)者往往將焦點(diǎn)放在零碎知識(shí)術(shù)語的記憶，而忽略概念間的聯(lián)系，以至于難以形成連貫一致的概念體系和良好的知識(shí)結(jié)構(gòu)。

3.2 構(gòu)建概念體系，促進(jìn)科學(xué)概念的有意義學(xué)習(xí)科學(xué)概念的學(xué)習(xí)一直是科學(xué)素養(yǎng)的重要組成部分，科學(xué)概念的有意義學(xué)習(xí)和構(gòu)建是科學(xué)課程改革的重要目標(biāo)。美國(guó)科學(xué)促進(jìn)會(huì)（American Association for the Advancement of Science，AAAS），在《科學(xué)素養(yǎng)的基準(zhǔn)》中明確指出：有效的科學(xué)學(xué)習(xí)應(yīng)讓學(xué)生掌握核心概念結(jié)構(gòu)及概念之間的關(guān)系，而不是記憶孤立事實(shí)和概念［18］。從建構(gòu)主義的視角來看，學(xué)生的概念理解是一個(gè)自我構(gòu)建的過程，是基于學(xué)習(xí)者已知和相信的事物之上，構(gòu)建個(gè)人概念系統(tǒng)的過程。在學(xué)生的科學(xué)概念構(gòu)建中，學(xué)習(xí)者需要以已有知識(shí)經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，以有意義學(xué)習(xí)的方式將新概念整合到原有知識(shí)經(jīng)驗(yàn)中，有意義的學(xué)習(xí)需要學(xué)習(xí)者不斷關(guān)聯(lián)和調(diào)整新概念與原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，在此過程中建立新的聯(lián)系從而獲得新的意義（acquire new meaning），最終形成邏輯連貫、內(nèi)部一致的認(rèn)知結(jié)構(gòu)（cognitive structure）［19］。

由此可知，若學(xué)習(xí)者的概念學(xué)習(xí)是零碎知識(shí)的堆積，概念之間沒有形成關(guān)聯(lián)，便不能生成對(duì)科學(xué)概念的有意義學(xué)習(xí)，只有概念之間通過一定的邏輯相互關(guān)聯(lián)，逐步構(gòu)建學(xué)習(xí)者自身的概念體系時(shí)，學(xué)習(xí)者才能真正實(shí)現(xiàn)有意義學(xué)習(xí)和科學(xué)概念的深入理解。另一方面，零碎的知識(shí)信息也不利于遷移和應(yīng)用，若學(xué)習(xí)者未建立連貫一致、相互聯(lián)系的概念系統(tǒng)，對(duì)概念的學(xué)習(xí)停留在一系列沒有關(guān)聯(lián)意義、雜亂片面、難以遷移應(yīng)用的知識(shí)學(xué)習(xí)，則學(xué)習(xí)者在日后遇到復(fù)雜問題時(shí)往往難以提取相關(guān)概念，缺乏綜合分析信息、解決問題的能力。

3.3 系統(tǒng)化思維促進(jìn)學(xué)習(xí)者科學(xué)概念系統(tǒng)的發(fā)展和有意義構(gòu)建 針對(duì)以上問題，已有研究人員提出從系統(tǒng)思想的角度出發(fā)，研究學(xué)生概念理解與系統(tǒng)化思維之間的關(guān)系。格蘭特（Grant）［20］的研究表明用系統(tǒng)的方法學(xué)習(xí)，有助于學(xué)生成為主動(dòng)學(xué)習(xí)者，主動(dòng)學(xué)習(xí)有利于學(xué)生深入理解科學(xué)概念、技能和科學(xué)本質(zhì)［21］。格雷策（Grotzer）等［22］的實(shí)證研究表明，系統(tǒng)化思維的發(fā)展水平與科學(xué)教育中的概念理解有一定關(guān)系。維里特斯（Vachliotis）等［23］研究了學(xué)生系統(tǒng)化思維水平的發(fā)展與化學(xué)概念有意義理解之間的關(guān)系，并從中得出系統(tǒng)化思維與概念的有意義理解之間有顯著相關(guān)性的結(jié)論。葉斯特拉（Westra）［24］通過實(shí)證研究證實(shí)系統(tǒng)化思維可幫助學(xué)生更好地理解生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性和動(dòng)態(tài)性。

系統(tǒng)化思維可幫助學(xué)生從“系統(tǒng)”的角度看待學(xué)科的概念觀點(diǎn)，當(dāng)遇到某一復(fù)雜問題時(shí)可對(duì)不同學(xué)科概念進(jìn)行綜合分析，以問題為中心重新構(gòu)建自己的概念體系，整合重排概念框架，深化對(duì)學(xué)科概念的理解，促進(jìn)知識(shí)間的聯(lián)系和相互影響，從而促使學(xué)習(xí)者從被動(dòng)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)化為主動(dòng)學(xué)習(xí)，從機(jī)械記憶片段信息轉(zhuǎn)變?yōu)橛幸饬x學(xué)習(xí)，最終建立學(xué)習(xí)者個(gè)體獨(dú)特的概念系統(tǒng)。系統(tǒng)化思維為學(xué)習(xí)者組織、管理和發(fā)展概念系統(tǒng)提供了一套新的方法，幫助學(xué)習(xí)者深入理解科學(xué)概念，構(gòu)建邏輯相互關(guān)聯(lián)、結(jié)構(gòu)良好的概念系統(tǒng)。

4 系統(tǒng)化思維在科學(xué)教育課程改革中的潛在價(jià)值及研究展望

當(dāng)前國(guó)際科學(xué)課程改革的重要趨勢(shì)是探索系統(tǒng)化思維在學(xué)校課程中的滲透和培養(yǎng)，以便幫助學(xué)生構(gòu)建結(jié)構(gòu)良好的概念體系，從而發(fā)展對(duì)科學(xué)概念的深入理解及其在科學(xué)實(shí)踐中的靈活運(yùn)用。我國(guó)近期的理科課程改革也高度強(qiáng)調(diào)知識(shí)之間的整合，以及科學(xué)概念體系的有意義構(gòu)建，并明確提出［25］：要幫助學(xué)生建立有意義的知識(shí)框架，由概念所構(gòu)建的知識(shí)網(wǎng)絡(luò)是知識(shí)框架中的主干，一旦這個(gè)知識(shí)框架形成以后，學(xué)生就可以用它排布、梳理知識(shí)，使得包括重要事實(shí)在內(nèi)的細(xì)節(jié)知識(shí)都在這個(gè)框架中有合理的位置，便于記憶和檢索。科學(xué)概念可有不同大小，較小的科學(xué)概念可連接到較大的概念，而較大的概念可連接到更大一些的概念，即科學(xué)概念是有大小、層次、結(jié)構(gòu)和上、下位之分的。理解概念之間存在的上述關(guān)系，對(duì)于發(fā)展學(xué)生對(duì)科學(xué)概念的深入理解至關(guān)重要，因此圍繞大概念幫助學(xué)生發(fā)展科學(xué)概念體系，是促進(jìn)科學(xué)概念深入理解的有效途徑。

盡管我國(guó)基礎(chǔ)教育課程改革已取得了諸多成果，但在科學(xué)概念體系的有意義構(gòu)建方面所面對(duì)的挑戰(zhàn)依然存在，包括結(jié)構(gòu)良好的科學(xué)概念體系是怎樣的，如何幫助學(xué)生圍繞核心概念組織構(gòu)建已有知識(shí)，如何發(fā)展學(xué)生對(duì)科學(xué)概念的深入理解，這些都是科學(xué)教育亟待解決的問題。系統(tǒng)化思維的相關(guān)研究為解決這一困惑提供了方法和思路，它將學(xué)習(xí)者的零碎概念放置在大視閾之下，避免概念學(xué)習(xí)中出現(xiàn)“只見樹木，不見森林”的困境，強(qiáng)調(diào)從系統(tǒng)的角度在新、舊概念之間建立有意義的聯(lián)結(jié)，生成的眾多聯(lián)結(jié)最終引發(fā)結(jié)構(gòu)化科學(xué)概念體系的產(chǎn)生。此外，國(guó)際上已有眾多研究表明，在中、小學(xué)課程中融入系統(tǒng)化思維是可行且有價(jià)值的，因此有必要在我國(guó)中、小學(xué)科學(xué)教育領(lǐng)域展開對(duì)系統(tǒng)化思維的深入研究和實(shí)踐探索，為我國(guó)理科課程改革提供有效參考和合理依據(jù)，以進(jìn)一步提高我國(guó)科學(xué)教育的質(zhì)量和學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。