發展學生化學系統性思維的文獻分析

伍曉春 向月華

摘要： 通過對2018～2021年以“Systems Thinking”為主題在Journal of Chemical Education上出版的文獻進行內容分析，從內容選擇、實施方式和工具支持三個方面，凝練出發展學生系統性思維的路徑。最后提出發展學生系統性思維可從開發課程資源和深化評價研究兩個方面作進一步探索。

關鍵詞： 化學系統性思維； Journal of Chemical Education； 文獻分析

文章編號： 1005-6629（2023）03-0022-06

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1? 引言

系統性思維（Systems Thinking）是一種從整體角度研究和學習概念的方法［1］。Evagorou等將系統性思維描述為“理解和解釋復雜系統的能力”［2］。或許可以這樣理解，系統性思維使我們能夠基于整體的角度在紛繁復雜的故事中抓住主要情節，從而預測故事的走向。單純的還原主義（認為復雜的系統、事物、現象可以化解為各部分進行處理）難以應對氣候變暖、資源保護、經濟發展等全球問題。在化學教育中引入系統性思維被認為是從還原論向更全面的觀點轉變的重要策略［3］。Mahaffy認為只有當研究和發展化學與地球和社會系統的整體聯系時，化學才能在應對全球性挑戰和機遇中發揮核心作用，以確保一個綠色和可持續的未來［4］。

目前，許多國家對系統性思維的態度的共同點是將更多涉及經濟、環境、政治和社會方面的全球范式作為基本問題納入各類課程和研討會中［5］。學科聯合教學采用了系統性思維方法獲得了巨大的成效，然而，化學在很大程度上并不接受這一觀點［6］。直到2017年，為了緩解目前社會面臨的復雜的、全球性的挑戰，國際純粹與應用化學聯合會（International Union of Pure and Applied Chemistry，簡稱“IUPAC”）計劃了一個全球性的項目——“化學教育中的系統性思維”（Systems Thinking in Chemistry Education，簡稱“STICE”），將系統性思維融入化學教育，來解決上述一系列問題。

本文以“systems thinking”為“主題”對美國《化學教育》雜志中所有年份的文獻進行搜索，得到從2018年到2021年的相關文獻共45篇。2018年關于系統性思維文獻有3篇，2019年的相關文獻出版數量急劇增長，此后，關于系統性思維培養的課程計劃［7～14］、教學方法探索［15～17］、系統性思維工具［18～20］和項目活動［21，22］、理論研究［23］等方面的研究開始嶄露頭角。

近幾年，我國多個研究領域都涉及系統性思維，特別是教育教學和管理研究領域發展趨勢迅猛。但鮮有與化學教育相關的論述系統性思維的文獻，關于系統性思維的研究較為薄弱。基于此，我們力圖結合國外研究的經驗，推動國內對系統性思維的研究。

Talanquer［24］認為化學系統性思維的關鍵要素包括情境中心、機械推理方法和可持續性行為觀點。在特定情境中積極思考系統內不同層次與領域之間的關系，為學習者提供參與到真實活動中的機會，更好地促進有意義理解［25］。系統性思維與機械推理論相似，是建立在對實體的性質、相互作用、活動和時空組織分析的基礎上的。可持續性發展觀念是系統性思維的要素之一，在可持續性觀念的約束下，在做出決策時要求學生考慮多方面、多層次后再作出決定，是培養系統性思維的良好開端。基于此，李川從化學系統性思維對化學學科和化學教育中的問題的角度出發，總結了化學系統性思維的3個顯著特征：重視跨學科關聯、整體思考問題、強調可持續發展觀念［26］。

2? 美國《化學教育》雜志系統性思維文獻分析

美國《化學教育》是國際公認的高質量化學教育期刊，刊載著全球前沿的化學教育文獻，涉及研究范圍廣、內容豐富、參考價值高。本文從中選擇系統性思維相關的文獻并對其進行分析，期望尋找發展系統性思維的方法，為我國系統性思維的研究提供參考。

2.1? 文獻內容分析

思維在邏輯上優先于具體的認識活動，具有統攝性，對后續活動展開有指導作用。想要發展學生的化學系統性思維，表現于外，是要運用多樣化教育手段培養化學系統性思維所需要的知識和關鍵能力；表現于內，是學習者在問題解決時思維方式和意識行為的改變，即系統性思維的發展需要從知識、實踐與思維三個維度作用。對搜索到的45篇文獻進行內容分析，針對發展學生系統性思維的主題和化學系統性思維的要素，從內容選擇、實施方式與工具支持3個方面闡述（見圖1）。

由圖1可知，從實施方式和內容選擇兩個層面提高學生的系統性思維能力是研究的熱點。內容是知識獲得的載體，選擇綜合性內容學習是掌握系統性思維知識的基礎。系統性思維涉及到與化學教師有關的教育教學理論、學習者學習知識以及化學學科系統與地球、社會、環境等其他學科的關系，面對繁瑣復雜的系統，借助工具可使系統關系顯性化，進而促進學生系統性思維的發展。

2.2? 內容選擇

基于對系統性思維的特征對相關文獻進行分析，發現在內容選擇上呈現2個顯著特點。

2.2.1? 強調綜合性內容

綜合性強的內容具有關聯性、整體性和跨學科性的顯著特點。在綜合性內容的學習過程中，要求學生進行多角度和多層次思考和學習，在知識與實踐兩個層次上為系統性思維的發展奠定基礎，因此綜合性的內容是獲得化學系統性思維知識的優質資源。

文獻主要從跨學科領域和可持續發展角度展開。跨學科領域涉及多個學科的知識，在課程中設置高度跨學科領域以發展學生的系統性思維被證實是一個不錯的方法［27］。綠色化學作為化學學科進入綜合可持續發展的標志，要求在解決問題的過程中充分考慮新物質、新方法應用產生的直接或間接影響，需要學生進行橫向跨系統思考和縱向的時間維度的思考，從而保證社會的可持續發展。已有研究從物質流動的能值觀［28］、建立綠色實驗安全文化［29］、開設綠色化學課程［30］等方面將綠色化學作為問題解決的指導理念，鍛煉學生多系統思考的思維習慣。如做實驗時，討論實驗試劑、設備與其他系統的相關影響，考慮能否從更環保、經濟、低能耗的角度開展實驗，在這個過程中就引出更多相關的系統，內容也逐漸豐富。

2.2.2? 強調高階思維要求

通過對文獻的梳理發現，想要獲得系統性思維，主要經過以下幾個階段。首先是要基于對相關數據、資料和內外部環境條件的掌握，這要求學生具備一定的邏輯思維和對相關文本和數據的分析、解釋能力。其次是培養學生在基于數據的支撐和清楚各系統間關系的情況下，對解決方案進行評價，以小組的形式討論方案可行性。最后，還需具備隨社會變化進行方案改進的創造能力和創新思維。不難看出，分析、解釋、應用、評價和創造等高階思維為系統性思維的最終形成提供了有力的核心支撐，是發展系統性思維不可缺少的重要部分［31， 32］。

2.3? 實施方式

2.3.1? 發展系統性思維的實施過程

如何基于教學現狀和資源等條件開展教學過程，從而使學習者獲得系統性思維關鍵能力和具有系統性思維觀念是研究的熱點之一。梳理和總結文獻發現［33～35］，對發展學生系統性思維的一般步驟如圖2所示。首先是創設情境，較優方案是以生活中的真實情況進行創設，這不僅可以引起學生的興趣，更容易使學生在已有的認知基礎和知識基礎上展開目標與其他系統的聯系。其次是設計綜合性問題，圍繞綜合性問題進行的教學是發展系統性思維能力的關鍵所在，因此對于綜合性問題的設計應該是具有指向性的，即指向高階思維。再次是借助工具使系統之間關系顯性化，系統之間的動態關系是復雜的，綜合性的問題更是涉及到多個方面，從整體和全面的角度去掌握事件發展動態會更清晰。當然，基于結果的評價交流與討論也是實施過程的重要環節，這可由多種方式實現，如為學生創造參與辯論和決策的多種機會，并在真實環境中評估他們的想法的可行性。最后是對學生系統性思維的評價，雖然學習目標會因環境而不同，但針對系統性思維知識、實踐與思維三個層面的發展，應著重評估以下的主要能力：相關理解的應用、意義理解的有機整合、在決策中反思性的應用［36］。

有文獻圍繞生活中常見的水質環境設計情境，以“瓶裝水是否值得購買以及瓶裝水是否優于自來水”作為綜合性的驅動問題［37］，在問題的引導下，學生經歷收集資料、分析問題、找到證據、得出結論等過程。在每一步活動結束后，小組成員對照相應的系統思維屬性表對系統思維能力進行交流、評價與反思。結果表明，學生的系統性思維能力有了一定程度的提升。

2.3.2? 實施過程的典例解析

研究發現已有基于游戲化學習、服務性學習、深度學習、項目式學習等多種學習理念開展提升學生化學系統性思維的研究，但更多的研究者是使用研討會或工作坊的實施方式，利于教師將系統性思維的過程和模型引入化學課堂之中。

項目式學習是以學生為中心的學習方法，選擇真實有效的問題進行研究，注重知識之間的鏈接和學科間的相互滲透，體現出真實性和跨學科的顯著特點，是教育者使用系統方法教授化學的有效策略［38］。與一般的實施步驟相比，項目式學習更重視選擇真實的背景問題，其學習過程增加了不確定性，注重學生的學習過程而不是結果。

有研究開發了一個基于真實情境而提出的項目任務——“為嬰兒設計更環保的汽車座椅”［39］，整個項目學習過程由三個工作坊組成（見圖3），每個工作坊都是針對系統性思維、生命周期思維和綠色化學等關鍵學習成果而開發的。

在工作坊一中，學生用生命周期的評估方法考慮產品從生產、利用、回收的全過程中對環境和社會可持續發展的影響。工作坊二中，學生要尋求替代材料，除了考慮材料毒性和環境影響，還要關注到替代材料的防撞、緩沖性能等物理因素，這一過程要求學生進行跨學科研究。在工作坊三中，學生以小組的形式評估替代方法，開發模擬產品和營銷材料。在解決問題的過程中，要求學生考慮到材料功能與安全、環境影響、時間限制和社會應用等多個不同但相互影響的領域，從而做出最后的決策。

將整個項目學習過程視為一個系統，在真實的情境中，需要學生主要從可持續發展綠色化學理念、跨學科研究、社會環境三個方面進行思考，最終基于整體的考慮完成替代材料的選擇。根據實驗項目結束后的學生的書面反饋報告，學生感覺自己有能力完成可持續性的產品設計，并增長了整體綜合思考問題的能力。

2.4? 工具支持

在普通化學課堂引入系統性思維能幫助學生站在更高和更全面的角度看待問題，但同時會增加化學內容的復雜性。借助一些表征手段聚焦于核心問題、將復雜的化學子系統以及與其他學科的關系顯性化，能有效降低化學系統性思維的難度，有助于推進化學系統性思維在化學課堂中的實施與教學。

關于化學系統性思維的工具研究成果為剖析系統提供了三個關鍵的視角，分別是概念、對象與過程、子系統間的因果關系，每個視角都用可視化的圖形對系統進行展開。概念圖是在教育環境中查看相關概念常用的方法之一，主要有面向系統的概念擴展圖、系統圖；過程-方法論能將用句子表達的對象-過程圖、對象-過程語言用圖形的形式表示出來，利用視覺和語言雙通道處理信息，減少學生的認知負荷。行為隨時間變化圖強調系統中有問題的變量隨時間變化的動態趨勢，幫助學習者尋找研究問題的未來發展趨勢，從而有更加全面的視角幫助學習者從整體上把握。由此看來，工具與框架幫助學生厘清系統內外各組件之間的關系，發展學生運用化學學科內部、外部的關聯關系進行機械推理的能力，進而助力于學生系統性思維的發展。表1為化學系統性思維的可視化工具。

系統性思維工具呈現以下兩點主要的結果：一是工具的差異性，不同工具側重點和分析的思路不同，有不同的用途和優點；二是由于化學主題和教學目標的不同，對學習者最有用的工具將取決于系統性思維被使用的環境。如想要了解碳循環中CO2與相關子系統（海洋交互、氣候變化、人類干擾與緩解等）的相互作用，并想要明確子系統的標識和假定的邊界，就可選擇面向系統概念圖［40］。若教學目標是想讓學生了解更詳細的分析技術，并盡可能多地考慮緊急情況，過程—方法論圖模型或庫存和流程圖是比較貼切的選擇。因此，對于工具的選擇，應在實現特定教育目標的基礎之上，選擇比較適合學生現階段發展情況的工具展示相關的系統。

3? 展望

通過文獻分析發現，國外學者一般認為系統性思維技能更容易在高年級學生中培養［41］。目前，在化學評估、學習和教學中采用系統性思維的實證工作很少。Talanquer的一項研究測評了25名大學生的系統性思維能力，結果表明他們在參與分析化學活動的環境、健康、經濟和社會效益等方面的能力有限，缺少系統性［42］。因此，綜合本文的觀點考慮，為發展學生系統性思維能力，可從以下幾個方面進行進一步探索。

3.1? 開發化學系統性思維課程資源

基于真實問題的項目、跨學科課程、研討會和工作坊、實踐活動與游戲等課程資源提供了更多學生參與的機會和真實體驗，都能成為發展系統性思維的優質課程資源。課程資源有其教學條件、時間、地域的局限性，難以做到面面俱到，所以課程資源的開發應以學生為中心，使其充分體現以下特點：（1）知識的廣闊性，即課程資源要跳出學科領域內部，應包容更為廣泛的知識；（2）學科交叉性，即課程資源要注意反映各學科之間的聯系與滲透，如化學與生物、環境、氣候、社會、生活、技術等方面的聯系；（3）層次性，系統性思維的獲得不是一蹴而就的，知識是能力發展的基礎，然后再在主動參與的實踐過程中慢慢發展系統性思維；（4）創新性和社會性，即課程資源要緊跟科學前沿，引起學生的學習興趣，如可選用新興的科學技術“鋰離子電池”或者生活中有關納米醫學、電池、量子信息等獨特而廣泛的主題。

3.2? 深化評價研究

展望未來，設計學生評估任務、開發有效的工具進行化學系統性思維測量與評估也是需要探索的方向之一。由于系統本身的復雜性，在具體落實過程中也面臨著許多問題，例如，學生在生活或化學課堂中運用化學系統性思維會面臨哪些具體挑戰？化學教育中應該怎樣評估學生哪些方面的系統性思維能力？

當然不管是課程資源的開發還是教學與學習方式的轉變，對學生化學系統性思維的發展都是外在的培養方式。幫助學生相信系統性思維背后的價值，肯定系統性思維在當下和未來世界變化中扮演的重要角色，增強其內在學習驅動力是更持久有效的方式。當學生遇到學習困難時，這種技術的感知和輔助價值可以推動他們克服所面臨的障礙，促進其系統性思維能力的提升。

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