系統思考技能

壹、 系統思考及其重要性

「系統思考技能」(system thinking skills)是一種能了解及詮釋複雜系統的能 力(Evagoroua, Korfiatisb, Nicolaoub & Constantinoub, 2009)，這是學習者在學習過 程中需具備的重要的能力之一，目前也逐漸受到重視。Hogan (2000)指出系統思 考技能能操控訊息、做決定、解決各層面的問題。Frank (2000)認為系統思考不僅 是回顧事件，還包含評估和發明，涉及高層次思考。Frank (2000)基於 Resnick (1987) 觀點定義高層次系統思考技能的特徵是複雜無次序，能生產多種解決方案，涉及 判斷和不確定性，自我調節並在混亂中尋找其結構，具有豐富性。從對於複雜系 統模型的建立、分析和綜合這一連串的過程就相當於心智活動的排序。Booth Sweeny (2000)認為有效的系統思考技能需要良好的科學推理能力，像是廣泛使用 定性和定量等數據的能力，這些能力都是屬於高階思考能力。在科學教育中教導 系統思考技能的主要原因是，生活中許多現象都是複雜系統的例子(例如：生態 系、月相變化、能量轉移……等)，這些都是需要具備系統思考技能去了解複雜 系統的運作。綜合以上論點，可以知道系統思考技能是一種綜合性、全面性的能 力，當學習者具備這樣的能力便能理解、控制自己的思維方式，詮釋複雜系統並 處理並解決問題的過程(Evagoroua, Korfiatisb, Nicolaoub & Constantinoub,

2009)。

即使系統思考和科學本質有高度相關，但卻常在科學學習環境中被忽略，這 是因為在自然領域教學中大多重視科學內容知識，而非有關過程技能與思考方式。

Hannon 和 Ruth (2000)認為在正式教育過程中明顯的強調事件而非過程、重部分 而非系統、重分離的過程而非系統性的關聯，而在科學教育中，我們所期望的是 學生能理解各部份的聯結、相互關聯和因果之間的影響。總而言之，發展系統思 考技能對於學習者是有很大的助益，但必須透過加以指導與協助才能具備此能力，

否則是很難達到的。

貳、 系統思考技能階層

Maria Evagoroua, Kostas Korfiatisb, Christiana Nicolaoub and Costas

Constantinoub (2009)指出國小學生的想法是具有系統性的，雖然其具備的科學知 識不見得是正確的，但這與他們正處於國小學習階段有關。Assaraf 和 Orion (2010)研究也指出：(1)國小四年級學生在系統思考技能進步的方式成金字塔狀，

特別在分析系統上有顯著的表現；但愈往上層的表現，愈來愈少學生能達到；(2) 國中生的表現較優於四年級學生，一旦學生能達到較高層次時，就代表能掌控較 低層次了。Hmelo, Holton 與 Kolodner (2000)認為國小六年級學生對於人類呼吸 系統學習有困難，而學生學習困難的部分是在於缺乏能力去了解複雜系統中肉眼 不可見的層次，因為此部分經常被忽略。根據歷年結果發現：學生對於系統複雜 性的難以理解，且這樣的困難處存在所有年齡的學生。因此改進的方法就是在教 學中對於複雜系統的內容應予以視覺化，讓學習者了解系統中的各部分組成的功 用以及和組成之間與其他部分是如何互動的。

除了幫助學習者發展系統思考技能外，更可以去瞭解其所達成系統思考技能 的階層，Assaraf 與 Orion (2005)認為系統思考技能分為四個階級，他們認為透 過教學可藉以提升高層次，有了階層之分也可讓教學者瞭解該如何適時的介入。

以下為四階層：

(一)分辨出系統的組成與過程。( Level 1 includes the ability to identify the system’s components and processes. )

(二)分辨出組成之間的關係與其間的動態關係。(Level 2 includes the ability to identify relationships between separate components and the ability to identify dynamic relationships between the system’s components. )

(三)了解系統中的循環過程，利用網狀串連各組成要素。(Level 3 includes the ability to understand the cyclic nature of systems, the ability to organize components and place them within

a network of relationships, and the ability to make generalizations. )

(四)了解系統中隱藏的組成成分與系統的演變過程。(Level 4 includes an understanding

of the hidden components of the system and the system’s evolution in time (prediction and

retrospection). )

Hmelo-Silver 和 Pfeffer (2004)則提出結構─行為─功能架構去檢視複雜系 統與確認系統思考技能階層：

(一)分析系統中的結構(Structures)：呼吸系統中的肺臟、肺泡。

(二)指出系統中的動態過程─行為(Behavior)：透過胸腔的起伏可知道空氣的 傳送，又或是以神經電位差來檢查神經元間信號及反應是否正常。

(三)了解系統中的功能(Functions)：呼吸系統將氧氣送達身體各個器官。

前述的第二階層是最難了解的，因為包含人類肉眼可見和不可見的層次。透 過研究指出，能理解系統中可見的結構與功能對於學生是較為容易的，而大部分 的學生較難瞭解系統中的動態過程。

Kali, Orion 與 Eylon (2003)認為系統思考技能分為三階層，以岩石圈為例：

(一)了解系統內的各部份(understanding the parts of the rock cycle system)：了解岩石 循環體系的各部分，形成地殼的各種材料（例如：風化後產生不同類型 的岩石），以及生成地質的過程（例如：沉積岩、變質岩、岩漿形成的 過程）。

(二)了解系統各部分之間的連接(understanding the connections among these parts)，包 括了解特定的進程及其輸入和輸出之間的因果關係，例如：火山噴發後 形成的岩漿必須經過一個快速冷卻過程形成岩石結晶。

(三)了解岩石整體系統每一個過程中，輸出產品可作為另一個輸入產品

(understanding the system as a whole)。暴露在地表的岩石，受風吹雨打、日曬

雨淋，岩石的溫度與含水狀態的變化，帶來熱漲冷縮與水的溶解作用，

加上植物根部的蔓延擠壓等，使堅硬的岩石逐漸鬆軟，表層岩石逐漸崩

而 Assaraf 和 Orion (2005)根據歷年研究，提出的系統思考技能階層最為完 整，如下表2-2-1，他們認為系統思考階層分為三大面向(three sequential levels)及 八大階層(eight emergent hierarchic characteristics of system thinking)，以水循環為 例，包含(一)分析面向：(1)分析系統內的組成成分：海、河、湖、冰……，都是 水循環系統中的各部分組成之一；而由水變成水蒸氣的過程就是蒸發；(二)合成 面向：(2)辨別組成成分間的關係：當河水受汙染時，便會間接影響民生用水；(3) 辨別系統內動態關係：地下水能從岩石的縫隙中滲透進去，當人類使用化學藥劑 便會直接影響用水；(4)整合成架構圖，去分析組成、辨別之間的關係與互動：

了解水循環的過程，雨降下形成地上水，地上水蒸發變成雲，雲又轉變成雨；(5) 辨別系統內的物質、能量轉移：了解水循環是由許多小系統所組合而成，像是蒸 發、滲透、……，而何時達至蒸發量使得地上水轉變成雲；(三)執行面向：特別 針對是否能類推至其他情境，(6)辨別出系統內人類無法用肉眼理解，特別是隱 藏的部分；(7)歸納結論進而解決問題；(8)回顧與追憶，看不到的元素也是作為 系統的一部分，如分析地下水污染環境問題，如：地下水污染的原因是什麼？人 類會受到什麼樣的影響？這些化學污染會在岩石內留多久呢？

Assaraf 和 Orion (2010)研究指出國小學生在系統思考技能進步的方式成金 字塔狀；但愈往上層的表現，愈來愈少學生能達到。因此本研究將根據上述研究 資料，將執行面向去除，而著重在分析與合成面向，進一步加以修改再歸納出適 合本研究整合式的地球水循環系統思考技能階層，此部分詳見第三章第五節地球 水循環課程。下表則為Assaraf 和 Orion (2005)的系統思考技能階層：

表2-2-1：Assaraf 和 Orion (2005)系統思考技能階層

面向 系統思考階層 知識結構(以地球水循環為例)

分析 1.分析系統內的組成成分 (1)組成：海、河、湖、冰

(2)過程：蒸發、凝結、融化、下雨、滲透

合成

2.辨別組成成分間的關係 (1)了解水和岩石之間的關係；

(2)受汙染的水會直接影響水質

3.辨別系統內動態關係

(1)了解地球系統中水循環的變化了解動態關係；

(2)人類排放汙染(肥料殺蟲劑)

(3)水從岩石中滲透；水從岩石礦物中分解 4.整合成架構圖

(組成、關係、互動)

(1)呈現水循環的網絡狀過程與關係，放置系統組 成與過程。

(2)在海洋的情境與其他情境相類似 5.辨別系統內的物質、能量

轉移

(1)了解水循環是由許多小系統所組合而成 a.蒸發：海和土地；河和海

b.滲透：地下水

執行

6.辨別出系統內隱藏的部分 看不到的元素也是作為系統的一部分，如地下 水，分析地下水污染環境問題，如：

(1) 地下水污染的原因是什麼？

(2) 污染物在地下水系統會有什麼結果呢？

(3) 人類會受到什麼樣的影響？

(4) 這些化學污染會在岩石內留多久呢？

7.歸納→解決問題

8.回顧與追憶

參、 系統思考技能之相關研究

近年來，有一些研究特別針對系統思考技能進行探討：Resnick (1996)指出年 輕學生有學習複雜系統的潛力且能發展系統思考技能，但是他們的先備知識大多 是片斷式的且思考方式容易回復到較簡單的模式。Zohar 與 Dori (2003)強烈建議 鼓勵學生發展系統性思考；在近期針對國中生的研究中(Ben-Zvi Assaraf & Orion, 2005)，發現教學前所遇到的問題是學生對於如何進行系統思考是有困難的；而 在國小實行的困難性在於：語言識字能力不足、抽象概念難以理解及教學者對於 科學知識的了解不足，而關鍵處在於學生不了解複雜系統內的動態多元關係 (Hmelo-Silver et al., 2007)，因此 Hmelo-Silver et al.(2007)認為在未教學前，學生 之間的系統思考技能是無差異的。綜合上述，學習者對於抽象的複雜現象是不了 解的，因此大多會使用簡單因果解釋；根據 Jacobson 與 Wilensky (2006)研究指 出，即使是大學生也傾向於使用簡單的論述來解決複雜系統的問題。因此 Forrester (2007)提出若能在學習者年紀較小的時候就教導系統性思考，便能打開視野了解 因果。

雖然系統思考技能涉及高層次思考能力，而許多學生都有學習上的困難，但 仍有研究指出針對不同階層的學習者，透過適當的教學方法是具有潛力發展系統 思考技能的(Resnick, 1996; Wilensky & Reisman; 2006; Wilensky & Resnick, 1999)。

如果能運用適當的教學法，複雜系統是可以被教的(Ben-Zvi Assaraf & Orion, 2010)。例如：採取探究式學習方法，以理論為基礎，結合建模以及實驗法可讓 學生主動建構知識，而不是被動的吸收知識(Klopfer & Resnick, 2003)，在國小實 行教導系統性思考能力便能擴展視野，幫助其瞭解複雜系統中的了解因果關係；

而針對國高中生則可促進解釋能力與推理能力，因此研究者強烈建議鼓勵學生發

而針對國高中生則可促進解釋能力與推理能力，因此研究者強烈建議鼓勵學生發