发展学生化学系统性思维的文献分析

摘要： 通过对2018～2021年以“Systems Thinking”为主题在Journal of Chemical Education上出版的文献进行内容分析，从内容选择、实施方式和工具支持三个方面，凝练出发展学生系统性思维的路径。最后提出发展学生系统性思维可从开发课程资源和深化评价研究两个方面作进一步探索。

关键词： 化学系统性思维； Journal of Chemical Education； 文献分析

文章编号： 1005-6629（2023）03-0022-06

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

1  引言

系统性思维（Systems Thinking）是一种从整体角度研究和学习概念的方法［1］。Evagorou等将系统性思维描述为“理解和解释复杂系统的能力”［2］。或许可以这样理解，系统性思维使我们能够基于整体的角度在纷繁复杂的故事中抓住主要情节，从而预测故事的走向。单纯的还原主义（认为复杂的系统、事物、现象可以化解为各部分进行处理）难以应对气候变暖、资源保护、经济发展等全球问题。在化学教育中引入系统性思维被认为是从还原论向更全面的观点转变的重要策略［3］。Mahaffy认为只有当研究和发展化学与地球和社会系统的整体联系时，化学才能在应对全球性挑战和机遇中发挥核心作用，以确保一个绿色和可持续的未来［4］。

目前，许多国家对系统性思维的态度的共同点是将更多涉及经济、环境、政治和社会方面的全球范式作为基本问题纳入各类课程和研讨会中［5］。学科联合教学采用了系统性思维方法获得了巨大的成效，然而，化学在很大程度上并不接受这一观点［6］。直到2017年，为了缓解目前社会面临的复杂的、全球性的挑战，国际纯粹与应用化学联合会（International Union of Pure and Applied Chemistry，简称“IUPAC”）计划了一个全球性的项目——“化学教育中的系统性思维”（Systems Thinking in Chemistry Education，简称“STICE”），将系统性思维融入化学教育，来解决上述一系列问题。

本文以“systems thinking”为“主题”对美国《化学教育》杂志中所有年份的文献进行搜索，得到从2018年到2021年的相关文献共45篇。2018年关于系统性思维文献有3篇，2019年的相关文献出版数量急剧增长，此后，关于系统性思维培养的课程计划［7～14］、教学方法探索［15～17］、系统性思维工具［18～20］和项目活动［21，22］、理论研究［23］等方面的研究开始崭露头角。

近几年，我国多个研究领域都涉及系统性思维，特别是教育教学和管理研究领域发展趋势迅猛。但鲜有与化学教育相关的论述系统性思维的文献，关于系统性思维的研究较为薄弱。基于此，我们力图结合国外研究的经验，推动国内对系统性思维的研究。

Talanquer［24］认为化学系统性思维的关键要素包括情境中心、机械推理方法和可持续性行为观点。在特定情境中积极思考系统内不同层次与领域之间的关系，为学习者提供参与到真实活动中的机会，更好地促进有意义理解［25］。系统性思维与机械推理论相似，是建立在对实体的性质、相互作用、活动和时空组织分析的基础上的。可持续性发展观念是系统性思维的要素之一，在可持续性观念的约束下，在做出决策时要求学生考虑多方面、多层次后再作出决定，是培养系统性思维的良好开端。基于此，李川从化学系统性思维对化学学科和化学教育中的问题的角度出发，总结了化学系统性思维的3个显著特征：重视跨学科关联、整体思考问题、强调可持续发展观念［26］。

2  美国《化学教育》杂志系统性思维文献分析

美国《化学教育》是国际公认的高质量化学教育期刊，刊载着全球前沿的化学教育文献，涉及研究范围广、内容丰富、参考价值高。本文从中选择系统性思维相关的文献并对其进行分析，期望寻找发展系统性思维的方法，为我国系统性思维的研究提供参考。

2.1  文献内容分析

思维在逻辑上优先于具体的认识活动，具有统摄性，对后续活动展开有指导作用。想要发展学生的化学系统性思维，表现于外，是要运用多样化教育手段培养化学系统性思维所需要的知识和关键能力；表现于内，是学习者在问题解决时思维方式和意识行为的改变，即系统性思维的发展需要从知识、实践与思维三个维度作用。对搜索到的45篇文献进行内容分析，针对发展学生系统性思维的主题和化学系统性思维的要素，从内容选择、实施方式与工具支持3个方面阐述（见图1）。

由图1可知，从实施方式和内容选择两个层面提高学生的系统性思维能力是研究的热点。内容是知识获得的载体，选择综合性内容学习是掌握系统性思维知识的基础。系统性思维涉及到与化学教师有关的教育教学理论、学习者学习知识以及化学学科系统与地球、社会、环境等其他学科的关系，面对繁琐复杂的系统，借助工具可使系统关系显性化，进而促进学生系统性思维的发展。

2.2  内容选择

基于对系统性思维的特征对相关文献进行分析，发现在内容选择上呈现2个显著特点。

2.2.1  强调综合性内容

综合性强的内容具有关联性、整体性和跨学科性的显著特点。在综合性内容的学习过程中，要求学生进行多角度和多层次思考和学习，在知识与实践两个层次上为系统性思维的发展奠定基础，因此综合性的内容是获得化学系统性思维知识的优质资源。

文献主要从跨学科领域和可持续发展角度展开。跨学科领域涉及多个学科的知识，在课程中设置高度跨学科领域以发展学生的系统性思维被证实是一个不错的方法［27］。绿色化学作为化学学科进入综合可持续发展的标志，要求在解决问题的过程中充分考虑新物质、新方法应用产生的直接或间接影响，需要学生进行横向跨系统思考和纵向的时间维度的思考，从而保证社会的可持续发展。已有研究从物质流动的能值观［28］、建立绿色实验安全文化［29］、开设绿色化学课程［30］等方面将绿色化学作为问题解决的指导理念，锻炼学生多系统思考的思维习惯。如做实验时，讨论实验试剂、设备与其他系统的相关影响，考虑能否从更环保、经济、低能耗的角度开展实验，在这个过程中就引出更多相关的系统，内容也逐渐丰富。

2.2.2  强调高阶思维要求

通过对文献的梳理发现，想要获得系统性思维，主要经过以下几个阶段。首先是要基于对相关数据、资料和内外部环境条件的掌握，这要求学生具备一定的逻辑思维和对相关文本和数据的分析、解释能力。其次是培养学生在基于数据的支撑和清楚各系统间关系的情况下，对解决方案进行评价，以小组的形式讨论方案可行性。最后，还需具备随社会变化进行方案改进的创造能力和创新思维。不难看出，分析、解释、应用、评价和创造等高阶思维为系统性思维的最终形成提供了有力的核心支撑，是发展系统性思维不可缺少的重要部分［31， 32］。

2.3  实施方式

2.3.1  发展系统性思维的实施过程

如何基于教学现状和资源等条件开展教学过程，从而使学习者获得系统性思维关键能力和具有系统性思维观念是研究的热点之一。梳理和总结文献发现［33～35］，对发展学生系统性思维的一般步骤如图2所示。首先是创设情境，较优方案是以生活中的真实情况进行创设，这不仅可以引起学生的兴趣，更容易使学生在已有的认知基础和知识基础上展开目标与其他系统的联系。其次是设计综合性问题，围绕综合性问题进行的教学是发展系统性思维能力的关键所在，因此对于综合性问题的设计应该是具有指向性的，即指向高阶思维。再次是借助工具使系统之间关系显性化，系统之间的动态关系是复杂的，综合性的问题更是涉及到多个方面，从整体和全面的角度去掌握事件发展动态会更清晰。当然，基于结果的评价交流与讨论也是实施过程的重要环节，这可由多种方式实现，如为学生创造参与辩论和决策的多种机会，并在真实环境中评估他们的想法的可行性。最后是对学生系统性思维的评价，虽然学习目标会因环境而不同，但针对系统性思维知识、实践与思维三个层面的发展，应着重评估以下的主要能力：相关理解的应用、意义理解的有机整合、在决策中反思性的应用［36］。

有文献围绕生活中常见的水质环境设计情境，以“瓶装水是否值得购买以及瓶装水是否优于自来水”作为综合性的驱动问题［37］，在问题的引导下，学生经历收集资料、分析问题、找到证据、得出结论等过程。在每一步活动结束后，小组成员对照相应的系统思维属性表对系统思维能力进行交流、评价与反思。结果表明，学生的系统性思维能力有了一定程度的提升。

2.3.2  实施过程的典例解析

研究发现已有基于游戏化学习、服务性学习、深度学习、项目式学习等多种学习理念开展提升学生化学系统性思维的研究，但更多的研究者是使用研讨会或工作坊的实施方式，利于教师将系统性思维的过程和模型引入化学课堂之中。

项目式学习是以学生为中心的学习方法，选择真实有效的问题进行研究，注重知识之间的链接和学科间的相互渗透，体现出真实性和跨学科的显著特点，是教育者使用系统方法教授化学的有效策略［38］。与一般的实施步骤相比，项目式学习更重视选择真实的背景问题，其学习过程增加了不确定性，注重学生的学习过程而不是结果。

有研究开发了一个基于真实情境而提出的项目任务——“为婴儿设计更环保的汽车座椅”［39］，整个项目学习过程由三个工作坊组成（见图3），每个工作坊都是针对系统性思维、生命周期思维和绿色化学等关键学习成果而开发的。

在工作坊一中，学生用生命周期的评估方法考虑产品从生产、利用、回收的全过程中对环境和社会可持续发展的影响。工作坊二中，学生要寻求替代材料，除了考虑材料毒性和环境影响，还要关注到替代材料的防撞、缓冲性能等物理因素，这一过程要求学生进行跨学科研究。在工作坊三中，学生以小组的形式评估替代方法，开发模拟产品和营销材料。在解决问题的过程中，要求学生考虑到材料功能与安全、环境影响、时间限制和社会应用等多个不同但相互影响的领域，从而做出最后的决策。

将整个项目学习过程视为一个系统，在真实的情境中，需要学生主要从可持续发展绿色化学理念、跨学科研究、社会环境三个方面进行思考，最终基于整体的考虑完成替代材料的选择。根据实验项目结束后的学生的书面反馈报告，学生感觉自己有能力完成可持续性的产品设计，并增长了整体综合思考问题的能力。

2.4  工具支持

在普通化学课堂引入系统性思维能帮助学生站在更高和更全面的角度看待问题，但同时会增加化学内容的复杂性。借助一些表征手段聚焦于核心问题、将复杂的化学子系统以及与其他学科的关系显性化，能有效降低化学系统性思维的难度，有助于推进化学系统性思维在化学课堂中的实施与教学。

关于化学系统性思维的工具研究成果为剖析系统提供了三个关键的视角，分别是概念、对象与过程、子系统间的因果关系，每个视角都用可视化的图形对系统进行展开。概念图是在教育环境中查看相关概念常用的方法之一，主要有面向系统的概念扩展图、系统图；过程-方法论能将用句子表达的对象-过程图、对象-过程语言用图形的形式表示出来，利用视觉和语言双通道处理信息，减少学生的认知负荷。行为随时间变化图强调系统中有问题的变量随时间变化的动态趋势，帮助学习者寻找研究问题的未来发展趋势，从而有更加全面的视角帮助学习者从整体上把握。由此看来，工具与框架帮助学生厘清系统内外各组件之间的关系，发展学生运用化学学科内部、外部的关联关系进行机械推理的能力，进而助力于学生系统性思维的发展。表1为化学系统性思维的可视化工具。

系统性思维工具呈现以下两点主要的结果：一是工具的差异性，不同工具侧重点和分析的思路不同，有不同的用途和优点；二是由于化学主题和教学目标的不同，对学习者最有用的工具将取决于系统性思维被使用的环境。如想要了解碳循环中CO2与相关子系统（海洋交互、气候变化、人类干扰与缓解等）的相互作用，并想要明确子系统的标识和假定的边界，就可选择面向系统概念图［40］。若教学目标是想让学生了解更详细的分析技术，并尽可能多地考虑紧急情况，过程—方法论图模型或库存和流程图是比较贴切的选择。因此，对于工具的选择，应在实现特定教育目标的基础之上，选择比较适合学生现阶段发展情况的工具展示相关的系统。