科學教育的課程設計重視系統性思考

隨著 2013 年下世代科學標準（Next Generation Science Standards,NGSS） 的 推出，可以說美國的 K-12 教室已經迎來了科學教育的新時代。在 K3-5 年級，學 生明白系統是一組相關的部分，其構成一整體，並可以執行其各個部分所不具備 的功能，可根據組件及其交互來描述系統。在 K6-8 年級，學生明白系統可能與 其他系統互動；他們可能有子系統，並成為更大的複雜系統的一部分，可使用模 型來表示系統及其交互，例如輸入、流程和輸出以及系統內的能量、物質和信息 流。可了解到模型的局限性在於它們僅代表所研究系統的某些方面。 Yoon, Goh,

& Yang （2019）認為在過去 20 年的一些研究表明學生在學習複雜系統方面面臨 挑戰，例如學生在學習非線性或非順序過程中出現的科學現象方面存在困難，也 很難理解複雜系統中的過程控制通常是分散的，故提出了學習進步方法（learning progressions methodology）提供了一種這樣的系統方法來構建各種複雜系統思想 的學習，也就是有序描述的序列，說明學生可以採取的學習途徑來提高科學的概 念能力。這些有序的描述代表了一個研究性的框架，用於構建核心科學思想的學 習。課程和教學活動可以反過來映射到學習進度，以影響在整個學習者的學術生 涯中學習科學概念的內容、方式和時間。

在現行教育中，大多數科學教科書並不能有效幫助學生對複雜現象進行較系統 及綜合的理解，也就是說，他們支持學習科學作為一系列要學習的事實，而不 是支持學習者發展綜合理解和理解中介行為的重要思想（Liu＆Hmelo-Silver, 2009）。但是，學校中的學生是生活在一個日益受複雜系統支配的世界中，這 些系統是動態的、自組織的，並且不斷適應的（Jacobson＆Wilensky, 2006）。

「複雜系統（complex systems ）」是科學教育的重點，因為它們包含科學教育 國家標準中的重要思想，並提供跨越多個科學領域的整合背景（Goldstone＆

Wilensky，2008）。這種對複雜系統重要性的認識，以及當前教育方法在幫助學 生理解它們方面的不足，已經成為過去 10 幾年來在社會系統（social systems ）、 技術系統（technological systems ）、和自然系統（natural systems ） 各種學科 中進行了相關多研究，其重點為了解複雜系統及其理論，以及學生處理自然與 科技的複雜系統能力，這些共同努力通常歸入「系統思考」這一詞語（Sabelli, 2006； Assaraf & Orion, 2010）。

系統思考將世界視為一個複雜的系統，並支持對其相互關聯性和相互關係的 理解，因此應該從整體上進行研究，使能較易於理解和發展良好的複雜系統。它 用於以“整個系統”的方式考慮問題及其解決方案。系統思考已應用於許多不同領 域，包括醫療保健、可持續發展、國防、項目管理、教育以及服務領域等（Behl

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& Ferreira, 2014； Salado 等, 2019）。Senge （2006）定義「系統思考」是一門觀 察整體的學科。他進一步將系統思考定義為“觀察相互關係而不是事物、觀察變 化模式而不是靜態快照的框架” （Systems thinking as a discipline for seeing wholes. He further defines systems thinking as a “framework for seeing interrelationship rather than things, for seeing patterns of change rather than static snapshots”.） 。Davidz &Nightingale （2008） 定義「系統思考」是“分析、綜合 和理解技術、社會、時間和多層次的相互聯繫、相互作用和相互依存關係”

（Systems thinking as the “analysis, synthesis and understanding of interconnections, interactions, and interdependencies that are technical, social, temporal and multi-level”.）。Moore, Dolansky, Singh, Palmieri, & Alemi（2010） 定義「系統思考」是

“識別、理解和綜合交互的能力，以及為特定目的而設計的一組組件中的相互依 賴性，這包括識別交互中的模式和重複的能力“ （Systems thinking is “the ability to recognize, understand, and synthesize the interactions, and interdependencies in a set of components designed for a specific purpose. This includes the ability to recognize patterns and repetitions in interactions”.） 。從上眾多定義中發現，理解相互間關 係的能力是所有這些定義中反復出現的主題，亦是重中之重。

Assaraf & Orion（2005）指出，雖然系統思考被認為是一種高級思維技能，

但它可以在小學發展到一定程度。透過適當的長期課程規劃，這些能力可以作為 初中階段和後期高中階段系統思考發展的基礎。例如：Mohan, Chen, & Anderson

（2009）以國小高年級學生為對象，進行沼澤生態系課程，提供模擬情境，讓學 生不需透過想像，而是經由眼見更加深刻。結果發現，認為國小高年級學生有發 展系統性思考的潛能，系統性思考能力的階層制可幫助了解學生位在哪一階層上。

另外，Sheehy 等人（2000）指出，在國小四年級和五年級的孩子引入數學課程中

“基本複雜”系統的雛形，研究結果表明小學生確實能夠開發自己的模型和感知系 統來處理複雜的問題情境。Assaraf & Orion （2010） 以國小四年級學生為對象，

進行以水力循環為重點的地球系統單元的學習，結果表明，學生發展系統思考技 能的能力有顯著進步。Lezak, & Thibodeau （2016） 在系統思考和環境關注的研 究中，認為要了解氣候變化及全球生態系統等環境議題的成因，可以系統思考的 方式幫助了解其復雜性和規模。

Jagustović, Zougmoré, Kessler, Ritsema, Keesstra, & Reynolds （2019）認為複 雜適應系統（complex adaptive system , CAS）是由於非線性相互關係，於相異的 時間及空間尺度上，沒有中央控制的大量元素之間出現的行為的系統。CAS 的 概念最初是作為一種理解自然現象的方式而製定的，其五個屬性作為分析的理論

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框架分別為：

(一) 許多互聯元素和開放系統

包括系統內和系統與其環境之間的許多不同的互連元素。CAS 是開放系統，

意味著觀察到的系統邊界及其控制之外的元素和系統對系統有影響，反之亦然。

識別系統的邊界“內在的事物”可能很困難，邊界通常由系統描述的目的決定，並 受觀察者位置的影響。

(二) 反饋循環和時間延遲

CAS 本質上是非線性的，並且由反饋迴路支配。反饋循環是元素之間因果 關係的封閉序列：當一個元素的變化在一段時間後導致同一元素的變化時。反饋 迴路可以是加強或平衡。

(三) 動態性質

系統的動態性質假定其元素不斷修改其交互規則。由於提供刺激的其他元素 的行為改變，每個元素面對新穎的環境。由於元素之間的同時相互作用，系統的 總體行為繼續發展。系統內部元素的相互關聯性確保系統內部和/或外部的任何 刺激都會觸發系統內部，系統與外部環境之間以及系統之間的變化。由於動態性 質和持續的行動以及對“他人”正在做的事情的反應，沒有任何事物是靜態的，

CAS 不斷變化和發展，呈現出“移動目標”。

(四) 自組織和緊急秩序

由於系統組件之間的相互作用，系統行為在沒有內部或外部控制器或領導者 的情況下出現。透過簡單的 IF（輸入/條件） - 元素之間的那些（輸出）規則，

CAS 產生難以預測的複雜系統行為。元素透過發送和接收信號同時進行交互，

並且每個元素調整其行為以適應與其交互的元素的行為。元素之間的相互作用

（IF-THEN）定義了影響和相互關係。元素之間的相互關係程度越高，系統越複 雜，理解起來就越困難。

任何關係的變化都會影響所有系統元素。緊急系統行為是透過較不復雜的元 素和規則的較低層次互動而產生的，僅透過觀察其元素的行為無法理解。CAS 緊 急狀態通常由於反饋迴路優勢的變化而出現。

(五) 穩健性和彈性

穩健性是 CAS 在面對干擾時能夠繼續運作的能力。系統層面的穩健性源於 個體要素層面缺乏穩健性。隨著複雜系統響應系統內部或外部的條件而變化和適 應，它們在元素之間具有一系列耦合模式，從緊密到鬆散。鬆散耦合的結構緩沖 和對強烈衝擊的適度響應，而更緊密耦合的結構傾向於“鎖定”並且對系統適應提 出挑戰。

13 存的和持續的過程，其系統思考實踐（Systems Thinking in Practice, STiP）視為主 要的認識論（學習）努力。STiP 啟發式包括三個核心活動，分別為：1.理解相互 關係（understanding inter-relationships, uIR）、2.參與多種觀點（engaging with multiple perspectives , eMP ） 以 及 3. 反 映 邊 界 判 斷 （ reflecting on boundary judgements, rBJ）。系統是（概念上）受邊界反射影響的有界實體，反思邊界需要 注意對以下方面的限制和偏袒：1.整體性 - 需要進行一些選擇，因為並非所有相 互關聯的實體都有界限； 2.多元化 - 觀點總是有偏見的，因此任何邊界判斷都 必然偏向某種觀點（Reynolds，2016）。

本研究，利用 Cabrera & Colosi（2008）系統思考認知框架來進行研究工具 的設計，該框架基於四個簡單的規則 - 區分（Distinctions）、系統（Systems）、

關係（Relationships）和觀點（Perspectives）（DSRP）。雖然系統思考是透過系統 思想、方法、理論和科學來實現的，但最終它是一種基於思維模式的心理能力，

其 DSRP 框架說明如下：

DSRP 框架（表 1）被視為系統思考的本質，由四種認知模式（規則）組成，

這些模式對各種系統思考子域和方法具有通用性（Cabrera, Cabrera, & Powers, 2015），可以促進理解複雜系統（Cabrera, Colosi, & Lobdell, 2008）。

表 1 DSRP 思維模式（Cabrera 等, 2008; Cabrera 等, 2015）

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DSRP 框架為系統思考提出了四種概念模式（規則）：區分（D）、系統（S）、 關係（R）和觀點（P），每種都由兩個元素組成（表 1），DSRP 為四條規則及其 要素相互作用的理論框架（Cabrera & Colosi，2008），說明如下：

區分（D）規則：我們在事物、概念和思想之間進行區分，暗示存在“他者”

更廣泛的背景或情境，從中產生概念上的區分。區分涉及設定界限，確定什麼是 系統的一部分，什麼不是（Cabrera 等, 2008）。

系統（S）規則：假定識別我們感興趣的對象的部分和整體，並將部分和整 體組織成替代套疊系統（alternative nested systems）。系統是指假定在不考慮整體 的情況下不能考慮一個部分（Shaked & Schechter，2013 ； Behl & Ferreira，2014）， 事物、概念或想法同時是一個部分和整體。這規則意味著識別系統涉及將事物分 解為其組成部分並將部分分組為更大的整體。

系統（S）規則：假定識別我們感興趣的對象的部分和整體，並將部分和整 體組織成替代套疊系統（alternative nested systems）。系統是指假定在不考慮整體 的情況下不能考慮一個部分（Shaked & Schechter，2013 ； Behl & Ferreira，2014）， 事物、概念或想法同時是一個部分和整體。這規則意味著識別系統涉及將事物分 解為其組成部分並將部分分組為更大的整體。