生命周期理論在化學教育中的應用： 研究進展及其啟示

龔文慧

摘要：生命周期理論的重要性逐漸在國際教育研究中顯現出來，并開始引起基礎教育階段化學課程及教學研究者的關注。通過梳理生命周期的理論研究進展，以及生命周期理論在中學化學在職培訓課程、教學研究及教材研究中的應用研究進展，提出了生命周期理論對于我國化學教育的啟示，以期對我國化學教育的發展提供有益借鑒。

關鍵詞：生命周期理論; 可持續發展; 化學教育

文章編號：1005-6629（2021）08-0003-07

中圖分類號：G633.8

文獻標識碼：B

生命周期是材料或產品從原材料到產品再到最終處置的一系列步驟[1]。分析產品的綜合生命周期本身就是一個先進的科學領域，生命周期分析是通過量化不同化學品、材料和能源的凈流量來評估產品、過程或活動的環境負擔的綜合性方法[2]，它整合了綠色化學、可持續化學和工程等領域的內容，而且通常涉及科學倫理與道德意識[3]，是培養學生跨學科能力和綜合素養的重要理論。

近幾年，多國研究者陸續進行了一些有關生命周期理論在教育領域的應用研究，研究對象大部分都是高等教育階段的工科生，如化學、制造、土木和環境工程等[4]。其中，一些研究者也逐漸將生命周期理論聚焦到了中學化學教育中，并逐漸引起了人們的重視。因此，非常有必要對生命周期理論在基礎化學教育中的理論發展及應用研究進行系統梳理。

1 國外生命周期理論研究進展

教育領域中生命周期理論的思想最早脫胎于生命周期評價理論，教育理論研究者根據教育的自身特點及社會發展的需求，將生命周期評價理論進行了批判性繼承及轉化，從而發展出了具有鮮明教育特色的生命周期理論。

1.1 生命周期評價的理論框架

生命周期評價（life cycle assessment， LCA）最早可追溯到1969年由美國中西部資源研究所（MRI）展開的針對可口可樂公司的飲料包裝瓶進行評價的研究。該研究試圖從最初的原材料采掘到最終的廢棄物處理的全過程進行跟蹤與定量分析。1989年，荷蘭國家居住、規劃與環境部（VROM）針對傳統的“末端控制”環境政策，首次提出產品生命周期，并指出要對產品整個生命周期內的所有環境影響進行評價，對生命周期評價的基本方法和數據進行標準化。1990年，在國際環境毒理學與化學學會（SETAC）主持召開的有關生命周期評價的國際研討會上，首次提出了“生命周期評價”的概念。1993年，國際標準化組織（ISO）開始起草ISO14000國際標準，正式將生命周期評價納入該體系。此后，研究者對生命周期評價的理論框架進行了不同程度的修訂和完善。當前，生命周期評價（LCA）的主要依據是國際標準化組織發布的LCA標準14040和14044。生命周期評價框架是由四個互相聯系且不斷重復進行的階段組成的，即目的與范圍的定義、清單分析、環境影響以及結果解釋[5]（如圖1所示）。

在目的與范圍的定義階段，基于目的、預期應用和受眾，對整個系統及其邊界的描述、影響類別、方法的選擇以及對數據質量要求及其局限性進行系統考慮，

如要分析產品的具體生產工藝、確定生產工藝各個階段所要研究的數據等;清單分析階段主要包括量化產品系統、生產工藝在其整個生命周期內的輸入（如原材料和能源）和輸出（如廢氣、廢物、廢水等），并建立以產品功能單位表達的產品系統的輸入和輸出（即建立清單），這一階段需要考慮目標和范圍決策，數據的收集和編譯是在一個迭代的過程中完成的;在環境影響階段，根據清單分析的結果計算潛在的環境影響，并對清單分析階段的數據進行定性或定量排序，其目的是為了肯定對清單結果的重要性以及加深對生命周期評價預期目標的理解;在結果解釋階段，根據生命周期評價前幾個階段的研究，對研究結果進行分析、解釋，最后得出結論、解釋局限性并提供建議。

上述生命周期評價的四個階段構成了一種系統方法，用于計算在不同應用中使用的系統的整個生命周期內的環境負擔和影響。

1.2 生命周期教育的理論框架

由于現實世界的差異、數據和方法選擇的不確定性，一些研究者認為應該綜合考慮社會和經濟模型[6]。為了進一步適應課程與教學的要求，研究者對生命周期評價框架進行了一定的修正與發展。為使學生更加深入地理解復雜系統中的可持續發展的要素，就非常有必要形成一個包含系統概念和方法的理論框架。2017年，Mlkki和Alanne對可再生能源與可持續能源教育的生命周期評價與研究性教學進行了綜述，并且提出了生命周期可持續性評價框架（life cycle sustainability assessment， LCSA）[7]（如圖2所示），這一框架包括生命周期評價（LCA）、生命周期思維（life cycle thinking， LCT）、生命周期成本（life cycle costing， LCC）和社會生命周期分析（social life cycle analysis， SLCA）。LCA、 LCC和SLCA提供了看待同一能源系統的三種不同方式[8]。其中，生命周期思維（LCT）可以幫助學生識別LCSA的各個階段，并收集必要的數據，為LCA、 LCC和SLCA提供定量和定性的指標，從而在評估過程的早期階段確定可能存在的問題。LCA作為一種定量方法可以產生數據和指標，以此來評估能源系統使用的資源、環境及健康影響。LCC是通過制定成本及收益指標來對資源系統進行評估，例如成本收益、市場競爭力、能源系統的私人和外部成本。SLCA是通過制定社會指標來評估系統，例如，企業政策、價值觀、文化、人權等。

在現實情境中，開展生命周期評價時，通常需要同時考慮環境、經濟和社會觀點，這就會使評估系統的綜合可持續性變得很復雜[9]。為了提高學生的生命周期的決策技能，有研究者提出了指導教師進行可持續能源教育的概念（如圖3所示）。這一概念通過了解可持續發展的基本原則（可持續性）、適當的教學方法（教育）和綜合可持續性工具（LCA）來展示可持續能源教育。可持續發展、教育和LCA的結合旨在為學生提供所需的能力、技能和意識，以規劃、決策和分享本地和全球可持續能源解決方案的信息[10]。

盡管以上理論框架多來源于能源教育領域，但卻可以為中學化學教育領域中應用生命周期理論提供有益的借鑒。

2 國外生命周期理論在中學化學教育中的應用研究進展

近幾年，生命周期理論已經開始在國外教師在職培訓課程、課堂教學及教材中逐漸涌現出來，并引起了理論研究者及實踐工作者的廣泛關注。

2.1 生命周期教育在職培訓課程

生命周期是芬蘭國家化學課程的關鍵目標之一，但芬蘭化學教科書缺乏與生命周期相關的內容，基于此，芬蘭將生命周期理論納入化學教師教育以及在職培訓課程。在2010年至2012年期間，芬蘭開設了關于可持續發展、綠色化學、生命周期分析（Life-cycle analysis）和探究性學習（inquiry-based learning， IBL）方法的免費在職培訓課程[11]，課程框架如圖4所示。其中涉及的課程內容包括環境的化學化、電子產品的循環利用和綠色化學。教師分組討論可持續發展、社會性科學議題、消費品生命周期評價和IBL方法。課程參與者的一個關鍵任務是與研究者合作開發新的以學生為中心的LCA-IBL教學理念，并且由教師在學校對這些理念進行測試，再由教師和一名研究人員進一步發展，最后由兩位研究者對所有理念進行內容分析，以提高結果的有效性。

Juntunen和Aksela認為，作為教師的目標和標準，新的LCA化學教學理念應該遵循以下原則：（1）使用以探究為基礎、以學生為中心的方法，重視強調學生自己的想法和問題;（2）培養合作學習、批判性思維、解決問題、溝通和評估的技能;（3）揭示化學在環境保護、可持續性、以價值為中心的討論和以生命周期評價為方法的決策中的相關性。

根據20位教師提出的教學理念，Juntunen和Aksela以Joyce和Weil所提出的個人和社會教學模型作為理論基礎，提出了個人教學理念和社會教學理念。個人教學理念指利用個人學習過程（如回憶信息），影響學生在基本領域的表現，它可以是非指導性和以人為本的。社會教學理念包括合作學習、同伴教學（peer-teaching-peer）、小組探究等方法。結果越復雜，思維、問題解決、社會技能和態度表現越優異，社會教學理念的效果就越大。

研究表明，教師可以通過幾種不同的方式將LCA-IBL融入芬蘭各個層次的化學教育中。其中，最受歡迎的是社會的、LCA-IBL教育（Social， project-based LCA-IBL education）。在教學過程中，教師對學生研究過程及有關生命周期討論的評價多于對實際化學知識的評價。根據學生的技能水平和可用的時間，教師還可以有意義地調整LCA-IBL教育的難度水平，從而有效提升學生的多種能力，如學生如何在項目中持續評估生命周期數據，如何提出問題，批判性地討論產品的倫理，并評論同行的發現。總之，研究表明，在化學教學中更有效地納入LCA-IBL是可能的。目前，這一研究在芬蘭已經具有了一定的影響力。

2.2 生命周期教學研究

Juntunen和Aksela[12]對LCA-IBL教學方法的實施效果進行了研究。該方法的目的是讓學生以小組為單位思考產品生命周期的利弊。其教學結構如下：（1）通過視頻或討論等方式使學生熟悉生命周期主題;（2）學生小組制定有關LCA的一般性問題→根據學生的興趣選擇一種產品進行探究→制定這一產品的生命周期問題并選擇研究問題→從感興趣的資源中搜集信息→將研究問題的答案收集到他們感興趣的平臺上→反對另一組的工作，同時得到對方的建議→根據對手小組的提示改進他們的工作→準備展示→在展示時為他們的對手準備兩個問題;（3）對手小組向展示小組提出至少兩個問題;（4）關于項目、消費和公民行動可能性的總結討論和/或辯論。在此過程中，學生收集了有關原材料、制造工藝和應用，以及回收和廢物管理的數據信息，能力強的小組還調查了關于產品壽命、足跡、健康影響和環境影響的精確或估計信息。根據教師、學生小組和感興趣的產品的不同，在2～3周的時間內花費了大約10～15個小時進行干預，工作的內容由學生自己決定。因此，他們學會了對自己的學習負責。在整個項目中，教師的角色就是一個促進者，在學生需要幫助或鼓勵時，用想法支持他們。

結果發現，這種方法可以顯著地促進可持續發展理念在中學化學教育的落實，對學生的化學態度和環境素養能夠產生積極的影響，而且在提高學生對社會性科學議題的一般論證能力方面具有潛力。通過訪談發現，學生傾向于認為，基于探究性生命周期學習方法所學習的化學課程比傳統的化學課程更有意義，也更加多樣化。他們開始把化學看作是一門支持普通知識或普通素養的學科，在化學課上學到了有關物質和產品的有益知識，認識到了環境保護尤其是循環利用的重要性，促進了他們對生命周期和消費的深度思考，意識到了在實際決策中不同的利益相關者會持矛盾的看法。大多數受訪學生認為，他們的實際行為可能會因為這種教學方法而改變。這一研究是一個如何在化學課程、可持續性問題、倫理和學生日常生活之間建立必要的、有意義的和跨學科聯系的重要范例。研究者呼吁今后的研究應著眼于尋找將生命周期納入化學教育的有效途徑。作為未來的公民，學生應該獲得對產品和過程進行生命周期分析所需的技能。在化學教育中開展生命周期教育，既要有翔實的實例，又要充分認識教學方法的有效性，這對于提高21世紀化學課堂的可持續發展教育的水平，促進社會的可持續發展至關重要。

Juntunen和Aksela[13]還通過將社會性科學議題、生命周期分析及基于探究的學習相結合的方式，致力于提高化學教學中的可持續發展教育。研究結果表明，通過對產品進行生命周期分析，有助于培養學生的高階思維和系統思維，學生的論證能力更加多樣化，學生會從社會經濟（成本或收益）、倫理論據（與價值觀、美學或未來相關的觀點）、生態論據（對生態系統的影響、對生態友好的產品和生活方式）和科學論據（自然資源、技術、能源、材料和污染）等多角度對產品的生命周期進行分析。作者認為以學生為中心的產品生命周期分析是一種適合中學生社會科學論證的教學方法。這一研究為如何在中學化學教育中進行生命周期分析提供了有益的啟示，同時顯示了使學生參與可持續發展問題的潛力。

2.3 生命周期教材研究

目前，國外已經開始出現了以生命周期理論為指導思想來編寫的中學化學教材。以美國中學化學教材《社會中的化學》（《Chemistry in the Community》）第六版[14]為例，該教材在編寫“礦物及摩爾（MINERALS AND MOLES）”部分時，以“在金屬的生命周期中化學的角色是什么？”為副標題，以生命周期理論為線索進行展開。教材明確指出分析師在設計供人類使用的新產品時，會考慮所涉及材料的整個生命周期。材料的生命周期包括幾個不同的階段：首先獲得原材料，經提煉合成所需的材料（材料獲取）。然后，將這些材料制作成具有特定用途的產品（制造）。消費者在使用該產品后會根據產品和環境決定保存或重新利用（使用/重用/維護）該產品。當產品不再有用時，可能會被回收及循環再造，或被棄置于堆填區（循環再造/廢物管理）。在循環的每個階段都會使用能源和資源，同時也會產生廢物和排放物，這些都應該包括在整個生命周期的分析過程之中。由于能源、資源使用和廢物管理會影響經濟和環境，材料生命周期中的每一步都成為化學家和工程師設計新產品時需要考慮的因素。該教材將鑄幣金屬的提取和加工作為一般金屬生命周期的模型，并以金屬銅為例，對銅的生命周期（包括開采銅礦石、還原礦石以獲得金屬、形成金屬以供最終使用，然后對金屬進行回收或丟棄）進行了分析，并用圖示顯化了這一過程（如圖5所示）。

3 研究建議與啟示

將生命周期理論納入化學教育既具有重要的理論價值，也具有一定的實踐意義。國外已經將生命周期理論融入到了化學課程與教學目標之中，并且取得了一些經驗，這可以為我國中學化學教育的發展提供借鑒。

3.1 中學化學教育逐步引入生命周期理論的理論價值

將生命周期理論納入化學教育是化學教育發展之必需。這主要是因為：（1）化學產品都是有生命周期的，生命周期理論可以為化學教育提供學習線索;（2）生命周期理論切合化學教育的一些理念，如資源充分利用、環境保護、可持續發展等，有助于提升學生21世紀所需的重要素養。

將生命周期理論納入化學教育是化學學科發展之必需。Talanquer等人通過分析教育政策的相關文件，發現化學關鍵思想受到化學這門傳統科學概念化的限制，傳統科學主要用來描述、解釋和預測化學物質和過程的性質。然而，這種傳統的化學觀近年來受到了眾多哲學家和歷史學家的挑戰，他們強調了化學作為一門“技術科學”的特征[15]。化學家將來不只是會解釋和預測化學物質的性質，他們也會分析和設計物質的合成路線、轉換和創造具有潛在應用價值的新物質。因此，化學學科面臨著從傳統意義上的描述性科學向技術性科學的轉變。從技術科學的角度出發，學校化學教學應該包括化學設計實踐，例如確定設計標準、給定約束條件或者借助已知的案例和經驗規則來確定最佳的解決方案[16]。顯然，化學學科“技術科學”的特征與生命周期理論的要求是高度契合的，對化學物質的生產制備、轉換（合成）路徑、物質提純、廢物處理等整個生命周期的分析，具有非常強的技術導向。

將生命周期理論納入化學教育是職業發展之必需。研究表明，盡管在教育中引入生命周期理論存在困難，但未來對生命周期分析專家的需求會越來越大[17]。生命周期方法的引入不僅可以提高學生對工程師在保護環境和承擔可持續社會責任中的作用的認識，而且有助于幫助學生明確未來職業的選擇。

3.2 中學化學教育逐步引入生命周期理論的實踐路徑

在中學化學教育中逐步引入生命周期理論大致包括以下路徑：

第一，在組織編寫教材時，可以選取比較典型的產品或材料的生命周期作為思維模型，指導學生在典型思維模型的基礎上，對其他一般性材料的生命周期進行自主分析與評價。在生命周期的整體與每一部分使用合適的方法，進行各有側重的討論。如依金屬的生產、加工、使用、廢棄組織，在生產中討論資源充分利用，在使用時強調做好防護以增長使用期限，在廢棄時注意環境保護。以美國中學化學教材《社會中的化學》為例，教材將鑄幣金屬的提取和加工作為一般金屬生命周期的模型，并對金屬銅的生命周期進行了分析，這就有助于使學生基于銅的生命周期分析模型，從而學會對其他材料的生命周期進行分析與評價。目前，已經有研究者開始著手開發生命周期評價的軟件，用來收集生命周期每一個階段和流程的相關數據，并對數據結果進行解釋，以此來構建整個生命周期的能量系統，這類軟件的開發與應用也可以逐漸納入到化學教育之中，以此來不斷豐富生命周期分析的課程內容。

第二，將生命周期理論與其他教學方式相結合，探索并形成新型教學方式。例如，芬蘭將生命周期分析與探究性學習相結合，形成了LCA-IBL教學方式，并產生了積極的影響。此外，將生命周期理論與情境教學、項目式教學、研究性教學等相結合，也有望成為重要的教學方式。

第三，組織一些與生命周期理論相關的專題培訓。生命周期作為一種基于研究和可持續發展的教學方法，其實施效果如何最終取決于教師。因此，應該進一步對教師開展生命周期教育的理念及方法進行培訓，使教師明確認識到學生對生命周期進行分析與評價的必要性，同時，促進教師開展生命周期教育教學方法及策略的提升。在這一方面，芬蘭開展的生命周期教育在職培訓課程的模式非常值得借鑒，這一課程由研究者與教師進行合作研究，共同開發適合進行生命周期教育的課程主題，循環設計并探索適合生命周期教育的教學方法。盡管基于探究性學習的方法進行生命周期教育已經被證明是一種有效的方法，但仍然需要更多的研究來對這一方法的教學效果及學生的學習表現進行深度探索。此外，還需要研究者對基礎教育階段生命周期理論的內涵、教學方法、教學策略以及評價方式等進行更加深入的研究。

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