系統化思維研究新進展及其在科學教育課程改革中的重要作用

周丐曉 劉恩山 *

（1北京師范大學生命科學學院 北京 100875 2溫州大學生命與環境科學學院 浙江溫州 325035）

近年來為應對全球化、知識化和信息化等挑戰，世界各國不斷推進課程改革。國際課程改革的趨勢之一是：更加注重課程的整合性，學科之間的聯系越來越緊密。例如芬蘭提出：基礎教育要去學科化，強調綜合，提倡從現象學的視角研究教育，這符合學生發展核心素養綜合發展的需要，尤其是在小學教育階段，必須提高教學的綜合性［1］。具體在課堂教學中，這種教學的綜合性主要集中表現為知識的整合以形成知識系統。美國教育研究者汲取教育研究各領域的豐碩成果，提出了21世紀技能，認為“系統化思維”（systems thinking）是21世紀所需的重要技能，系統化思維也是實現不同領域知識關聯、多種能力整合，以及知識和能力相互滲透發展這一愿景的有效途徑［2］。

當前系統化思維的研究已受到國際教育界和課程設計人員的廣泛關注，尤其是學習科學和科學教育領域，為國際理科課程改革注入了新元素和新思路。系統化思維作為一種復雜多維的高階思維，是種打破學科邊界的跨學科思維能力，當前各學科對其進行的研究與界定都是基于特定的學科視角下的有限探索。另一方面，當前關于系統化思維在教育中的研究還較為薄弱，理論研究基礎不夠，實踐應用更是難以推進。系統化思維的研究吸收和借鑒了不同領域的研究成果，追溯和分析不同領域的理論觀點和研究發展，有助于厘清和理解系統化思維的發展脈絡。因此，在將其引入理科教學前，對其理論研究進行詳盡梳理和深入分析具有重要意義。本文基于系統動力學、學習科學，以及科學教育領域的系統化思維相關研究，綜述系統化思維研究的提出與發展、現狀，以及對當今科學教育課程改革的重要價值及意義，為探索系統化思維在科學教育課程改革和教學實踐中的價值與應用提供一定的支持。

1 “系統化思維”在系統動力學建模中具有重要作用

“系統化思維”源于系統動力學，1956年美國麻省理工學院（MIT）的福瑞斯特（Jay W.Forrester）教授在系統論的基礎上創建了系統動力學，系統動力學（systems dynamics）是研究分析有關復雜系統信息反饋系統動態趨勢的學科，系統動力學根據信息反饋和因果關系分析系統結構，模擬系統內部動態反饋行為，從而建立系統模型并在此基礎上制定決策。它以控制論、控制工程、系統工程、信息處理和計算機仿真技術為基礎，研究復雜系統隨時間推移而產生的行為模式。在系統動力學中，系統的行為模式被看成是由系統內部的信息反饋機制決定的，通過建立系統動力學模型及對真實系統的模擬，可以研究系統的結構、功能和行為之間的動態關系，以便人們作出最優決策［3］。國內通常將系統動力學中的systems thinking翻譯為“系統思考”。此外，系統動力學注重開發應用相關軟件幫助人們分析系統問題，例如STELLA、iThink等。

在系統動力學的基礎上，研究者提出了系統化思維：它關注的是事物之間反饋循環的關系，而不是簡單的線性因果關系，強調以整體和動態的視角看問題，全面把握局部和整體、靜態與動態、近期與遠期的關系，縱觀全局并將問題放到整個系統中，逐級分析各結構層次，探索事件發生的深層次原因，幫助人們理解復雜的系統，從而做出正確的決策，并解決現實社會中面對的復雜問題。20世紀80年代后期，在福瑞斯特教授等人的積極推動下，美國數所學校積極參與到系統化思維融入K-12年級教育的研究項目中。目前全美約有400多所中、小學引進了這方面的教學研究，最著名的是亞利桑那州的土桑市（Tucson）橘樹中學（Orange Grove Middle School）。學生利用系統思考軟件STELLA，模擬思考社會、經濟、自然科學、數學、政治等不同領域的問題，通過因果環路圖、棧流圖、行為隨時間變化圖等方式培養發展系統化思維。

2 學習科學尤為關注學習者對“復雜系統”的理解

學習科學的研究表明：相比新手的概念組織方式，專家的知識是以核心概念或“大觀點”為中心，將相關領域的事實和公式加以系統組織，這些概念自上而下、相互聯系，最終形成一個獨特的網狀概念系統。專家通過構建自己的概念系統，對概念達到深入理解，從而可以輕而易舉地利用這些概念和觀點引導他們去思考專業問題，最終解決問題。相比新手，專家系統分析、組織信息的能力更強，專家更擅長系統思考問題［4］。近年來，學習科學在復雜系統和復雜性理論方面的研究一直呈上升趨勢，同樣學生應對復雜自然界、社會和技術的能力也是研究關注的焦點問題。盡管不同研究團體的研究成果有一定差異但也有許多共性，學習科學對復雜系統的理解可簡要地概述為以下幾點：①許多自然系統都在多個不同組織水平上運作。②系統內包含非線性聯系，這些聯系存在于有正負反饋關系的元素之間。③盡管這些聯系僅存在于元素之間，仍可將系統看作一個整體，這對理解系統的模式很重要。④系統水平的模式可以在沒有任何推動力的情況下出現，以元素間自我組織的形式。⑤在不同領域會發現相同的系統模式，這有助于發現他們之間的共性［5］。

傳統的教學較關注系統的組成元素，而不是系統內包含的各種過程。復雜系統通常由相互依賴的多層組織構成，各層級之間隱藏的關系不易察覺。此外，他們更加關注系統的結構而非潛在的功能，因此在推理因果關系時，容易忽略系統內的聯系和復雜的因果關系，傾向于非常簡單的因果關系［6］。 西爾弗（Silver）等對系統難以理解的原因做了分析并得出結論：人們通常較關注能觀察到的結構，而對于觀察不到的動態關系則感到理解困難［7］。系統難以理解的原因主要有以下3點：1）對于工作記憶來說，同時處理事件和其中包含的關系有些困難，因為這其中既包括模擬事件的心理活動，還包括復雜的推理過程。2）系統間各元素之間的關系并不都是線性因果關系，在系統的不同水平之間建立聯系也給工作記憶帶來負擔。3）復雜系統具有突現的特征，但這一特征很難從各元素的性質推算出來，系統整體具有各元素沒有的特征。例如，糖是甜的，而組成糖的原子（碳、氫、氧）卻不甜。復雜系統中的重要概念通常是反直覺的，因此學生要想學會從復雜系統角度思考問題，就必須經歷一個很強的概念轉變過程。教學不僅要關注這些概念，還要豐富學生的知識網絡和對世界的認識，這樣才能建立起復雜系統的觀念。邁克爾（Michael）等還提出了幫助學生學習復雜系統的原則：體驗復雜系統情境，使復雜系統概念框架更清晰，鼓勵合作、討論和反思，構建理論、模型和經驗，為深入理解和探究的學習策略［8］。

3 “系統化思維”已成為當今科學教育研究領域中的新興議題

近年來，隨著理科課程改革的發展，國際科學教育界對“系統化思維”的關注日益增多。關于“系統化思維”的相關研究，科學教育者的關注點主要聚焦在2個方面：對跨學科概念“系統”的研究和對思維能力“系統化思維”的相關研究。在科學教育中對“系統”思想的滲入，也主要以跨學科概念“系統”的理解和“系統化思維”的融入2種方式進行。

3.1 在跨學科概念“系統”方面的研究 首先，在對跨學科概念“系統”的研究方面，在美國科學促進會發表的重要文件《面向全體美國人（的科學）》［9］中，將系統視為由相互影響的任何事物集合而成的有機整體，理解系統的內涵就必須了解系統組成的元素，系統內部各個方面是如何相互聯系在一起，以及系統作為一個整體，如何與其他系統發生聯系。之后，在1996年的《美國科學教育標準》［10］中，除了各學科領域的內容標準外，還提出獨立于科學內容的“統一的概念和過程”（unifying concepts and processes），標準指出青少年往往容易將各種現象隔離開來，而不是從系統的角度加以解釋，由此提出“系統、秩序和組織”（systems，order，and organization）的概念，認為系統是相關物體或構成整體的各個部分的有組織的集合，系統具有邊界、構件、資源流（輸入和輸出）及反饋，并進一步設置了“讓學生學會從系統的角度思考和分析問題”的目標。在2012年的美國K-12科學教育框架［11］和美國 2013 年新版《科學教育標準》［12］中以跨學科概念 （crosscutting concepts）的形式提出“系統和系統模型”（systems and system models），更凸顯了對“系統”概念的重視，并做出了更為詳細的詮釋，提出從低年級就應注意培養學生分析系統的能力。表1呈現的是幾份科學教育課程重要文件中的跨學科概念“系統”的術語描述和界定。跨學科概念涉及科學、技術、數學等不同學科領域的最基本概念，這些概念跨越了學科邊界，能夠體現不同學科內容的內在一致性，具有廣泛的遷移性、穩定性和適用性。在上述幾份關于科學課程的重要文件中，與“系統”相關的跨學科概念的術語雖然略有差異，但對其內涵的界定和詮釋基本是一致的。由此可知“系統”概念在科學教育課程中的地位日益重要。

表1 國際科學教育課程改革重要文件中的跨學科概念“系統”

3.2 在對思維能力“系統化思維”的相關研究在對思維能力“系統化思維”的相關研究上，美國科學促進會的重要文件《科學素養的基準》中明確指出：高層次思維的重要標志之一是具有能從系統各部分考慮整體，又能從各部分之間，以及各部分與總體之間的相互關系考慮各部分的能力。2007年，美國國家研究理事會（The National Research Council）提出了 21 世紀技能［2］，認為“系統化思維”（systems thinking）是21世紀所必備的重要技能。當前，部分地區已經意識到其重要性并將將系統化思維（systems thinking）融入科學課程標準之中，例如紐約科學課程標準［13］在通用主題（common themes）部分融入“系統化思維”（systems thinking）并提出：學生通過系統化思維的培養，能識別所有系統間的共性、系統的各部分如何聯系在一起，以及如何執行具體的功能。2009年修訂版的華盛頓州科學課程標準［14］在跨學科的概念和能力（crosscutting concepts and abilities）中新增“系統”（systems），并著重強調了“系統”思想（systems thinking）的重要性，提出在氣候變化、基因工程、設計復雜的技術系統這樣跨學科的領域，系統的思想越來越重要，系統化思維幫助學生理解和分析科學概念和問題，解決他們在日常生活中的遇到的問題。越來越多的教育者提出要將“系統化思維”的培養融入到科學教育中。

概括來說，系統化思維研究的源起是學習科學、系統動力學及科學教育3個不同領域的研究協同發展、互相促進的結果，雖然各個領域研究的立場及側重點不同，但這3個領域的相關研究均促進了系統化思維研究的豐富和發展。表2呈現對系統化思維研究有重要影響的理論及相關研究，一方面指出了研究的立場角度，另一方面概括了與其相關的主要的觀點。

表2 與系統化思維相關的理論來源及主要觀點

4 “系統化思維”相關研究對我國科學教育課程改革的啟示

當前國際上系統化思維的研究已日趨完善，美國等教育發達國家的課程改革人員已將其研究成果有效融入課程標準和學校教育中，而我國科學教育領域的相關研究尚未起步，基于以上國、內外對系統化思維的相關研究，結合我國科學教育現狀，系統化思維的研究對我國理科課程改革的發展有以下啟示。

4.1 科學課程需要關注結構良好概念體系的構建，為多學科知識的整合提供助力 結構良好的科學概念體系的構建，需要關注概念的橫向和縱向發展2個維度。在橫向維度上，高度關注的是不同學科概念、跨學科概念之間的整合，突出在概念之間建立起邏輯關聯。由單一學科的較小概念突破學科界限，逐步擴展為跨學科的較大概念，而這一過程中，小概念之間潛在的內在邏輯性或價值關聯是它們互相吸引的磁力。另一方面，在科學概念體系構建的縱向維度上，主要強調的是概念發展的連貫有序、有機銜接，當前國際科學課程的設計的主流方向是圍繞大概念組織課程內容，通過學習進階描述學生隨著年級遞增對概念的日臻精致、逐漸深入的理解過程，幫助學生建立連貫發展、整體一致的概念序列，從而在縱向維度上實現學生結構良好概念體系的構建。這也從側面映證了國際科學教育改革十分關注概念體系的構建。

科學課程需要高度關注學生結構良好的概念體系的發展，避免僅僅堆砌片段而零散的信息，只有概念之間通過內在邏輯產生有機的連鎖反應，圍繞核心概念將多學科的概念從橫向和縱向2個維度統整在一起，學生才能真正形成連貫一致、結構良好的概念體系。此外，學習者的科學概念體系不是一成不變的，這一體系應具有可持續發展性和生命力，然而，若只是雜亂概念的增加，沒有形成概念之間有意義聯系便無法實現結構良好的科學概念體系的持續生成，即這些概念是惰性的，即使存在也不起任何作用，而系統化思維正是激活科學概念體系構建這一復雜過程的催化劑。

4.2 系統化思維幫助學生構建結構良好的概念體系，發展對科學概念的深入理解 提高學生的科學素養已成為當代科學教育課程改革的重要目標，這一目標的實現要求學生能夠從系統的角度分析問題，從而超越學科界限系統思考問題，并最終利用多學科的知識和技能解決生活學習中的問題。科學素養的提高與科學概念的深入理解密切相關，但當前的研究表明，學生習慣于記憶片段的知識［15］，學生往往易將各種現象隔離開來，而不是從系統的角度加以解釋復雜現象［16］，零散晦澀、毫無聯系的概念知識不利于學生對科學概念的深入理解及遷移應用，這導致學生對事物之間相互聯系的關注較少，對科學概念和現象的認識缺乏連貫性、動態性和整體性，不利于發展對科學概念和現象的深入理解。

系統化思維為實現科學概念的深入理解及結構良好的概念系統的構建提供了一定參考，系統化思維可幫助學習者圍繞核心概念統整多學科的知識，使之相互關聯、相互融合，從而構建結構良好的概念體系，另一方面，以統整后的概念體系為載體，學習者可重新組織、轉變和擴展他們對原有科學概念的理解，從而達到深入理解科學概念的目的。總而言之，系統化思維是一種認知工具，可幫助學習者發現概念之間隱藏的聯系，并將零碎的知識信息組織起來，對新知識進行改造重組后，將其融入學習者原有的知識體系中，最終構建個體獨特的概念系統，從而發展學生對科學概念的深入理解。

4.3 系統化思維促進學生科學思維的發展，為知識的應用遷移提供方法指導 提高學生的科學素養是當前理科課程改革的重要目標，這一目標的實現不僅依賴于學生對科學知識的理解，更為重要的是發展學生的科學思維。美國課程專家埃里克森認為：課程應重視學生思維能力的提升，而不僅僅是掌握更多的知識［17］。長期以來，思維能力的培養都是科學教育面臨的一大難題。另一方面，我國目前的初中科學課程設置呈現分科科學和綜合科學并行的局面，有研究指出：綜合科學與分科科學課程學生在實驗設計思維、科學方法的掌握與運用等方面存在顯著性差異［18］。分科科學更強調學科內的邏輯性，便于學生學習某一特定學科的專題知識，但這樣的課程設置將各學科割裂開來，阻礙學生將自然界作為一個整體進行探究，最終影響學生問題解決能力、科學思維的發展。

系統化思維具有跨學科和整合的特征，是一種思考問題的方法。在學生已有科學知識的基礎之上，系統化思維從整合的視角為學習者提供了一種認識事物、分析事物的認知方法，可幫助學習者突破學科的藩籬，將具有內在邏輯性或價值關聯的不同學科知識圍繞某一核心概念重新整合，促進學生形成對自然界的整體認知和應用遷移知識的能力，由此為科學思維的發展搭建平臺。具體來說，在實踐教學中，教師可在學生對系統的理解基礎上，設置一定的問題情境，讓學生對系統進行分析模擬，充分調動和應用各科學知識，使之做出決策、解決現實問題，以促進學生科學思維的發展。