系統與複雜系統

壹、系統與複雜系統

「系統」(system)是指動態的整體，整體系統所表現出來的行為有別於個體 的不同，也就是說系統中所產生的特質是由各部分所組成的(Ben-Zvi Assaraf &

Orion, 2005)。系統概念廣泛包含多元的面向，例如：社會系統，存在社會上的 任一組織，像是紡織業、礦業、製造業(e.g., Booth Sweeny, 2000; Booth Sweeny &

Sterman, 2007; Mandinach, 1989; Steed, 1992; Ullmer, 1986)；科技系統，關於資訊 科技，像是半導體、視訊(e.g., Frank, 2000)；自然系統，存在大自然中的現象，

像是沼澤生態系、地表岩石圈(e.g., Ben-Zvi Assaraf & Orion, 2005; Hmelo-Silver, Marathe,& Liu, 2007; Hmelo-Silver & Pfeffer, 2004; Ossimitz, 2000;Wilensky &

Resnick, 1999)。目前已有許多研究從不同面向和觀點加以討論此議題(Mandinach, 1989; O’Connor & McDermott, 1997; Penner, 2000)。綜合這些研究，系統的特徵 包含：

(一)系統是一個實體，透過組成間的互動以整體的方式維持其存在與功能( A system is an entity that maintains its existence and functions as a whole through the interaction of

its parts. )，如：地球水循環。

(二)由相互依存的單一部分構成的系統，形成一個複雜有統一的整體，且為了要 達成目的，每一個組成都有其存在的必要。( However, this group of interacting,

purpose, and in order for the system to optimally carry out its purpose, all parts must be present. )，

如：地球水循環主要由雲、雨、地上水組成。

(三)而系統透過回饋機制試圖去維持其穩定( Thus, the system attempts to maintain its stability through feedback. )，如：蒸發、凝結。

(四)這些相互影響的關係是由於因果的回饋圈相互連接，因此系統內存在許多變 數，而變數之間也會相互影響( The interrelationships among the variables are connected by a cause and effect feedback loop, and consequently the status of one or more variables, affects

the status of the other variables. )，如：地形、溫度、相對濕度。

「複雜系統(complex systems)」是一個有階級制且多元互動層面的自然現象，

是動態、自我調節且不斷持續適應的(Jacobson &Wilensky, 2006; Lesh, 2006)。在 複雜系統中，從單一的組成是無法預測系統內聚集的自然現象，只有透過多元組 成互動才能得知(Wilensky&Resnick, 1999)。以人體為例，身體是由許多子系統組 合而成的，在教學上我們能藉由解剖學和生理學能讓學生更清楚了解它的功能所 在，也就是說只有透過生活經驗或專業知識講解，我們能了解不同層次的複雜系 統。複雜系統背後也隱含一些深層原則，就如同 Jacobson 和 Wilensky (2006) 提 及的「結構-行為-功能理論」(structure – behavior - function ,SBF)，能更深入的去 探討複雜系統中的多層次組織和異質性，也可以用來描述因果系統。人體的血液 循環系統是一個很好的例子，它是人體的一個子系統，許多不同種類的細胞形成 的組織系統，血液在血管內循環運行，通過動脈輸送給組織細胞所必需的氧氣和 營養物質，通過靜脈運走二氧化碳和其他代謝產物，以保證組織內的新陳代謝和 功能正常進行；一旦血液循環發生障礙，將引起各器官組織細胞的代謝紊亂與異 常。

對於科學教育而言，學習複雜系統是重要的，其重要性在於能讓學習者形成 橫跨多領域與自然標準的整合性概念(Goldstone & Wilensky, 2008)。在一般教育 情境中，學習者在學習複雜系統時通常都忽略了複雜現象的本身，而是把焦點放 在背誦各系統的名稱，也就是只重記憶卻忽略現象本質(Hmelo-Silver, Azevedo,

2006)。Assaraf 和 Orion (2004a)的研究指出，要求國中生描述地球水循環過程時，

學生認為水循環只是片面的知識，他們了解許多水循環的部分過程，但缺少動態 循環和整體系統性的觀點。因為大多數的人很少理解複雜系統的各部分是如何系 統性運作的(Hmelo-Silver, Marathe, & Liu, 2004; Hmelo-Silver & Pfeffer, 2004)，也 就是說，若學習者能了解地球水循環複雜系統，便能整合生物、化學、物理科學 及社會科學相關學科的概念與知識(Hmelo-Silver, Azevedo, 2006)，所以透過複雜 系統來支持學習者學習科學來說是相當重要的，但在國內目前針對學習複雜系統 的相關研究仍是少數，因此這值得我國學者重視。

複雜系統的相關研究在國外早已經行之多年了，近年來國外在複雜系統的研 究上主要針對以下幾個層面進行討論與深究：關於複雜系統的不確定假設、如何 達成複雜系統的目標、學習者學習複雜系統的方法、分析學習者所存在的複雜系 統階層(Hmelo-Silver, Azevedo, 2006)。透過以上複雜系統多學科方法的所得到的 研究，我們了解到需要具備豐富的理論和經驗基礎，並合併不同的理論架構才可 以分析複雜系統的複雜性。目前的理論架構，包括複雜性科學(Jacobson, 2001;

Wilensky & Resnick, 1998)，結構-行為-功能理論(Goel et al., 1996; Hmelo-Silver &

Pfeffer, 2004)，概念變化(Vosniadou, 1994)，知識整合(Linn & Hsi, 2000)，自我調 節學習。

貳、影響複雜系統學習的因素

發展複雜系統不是一件簡單的事，學習複雜系統更是困難的，難度在於橫跨 與整合的層面很廣，且系統內包含許多我們未經歷的以及違反我們的直覺的概念 (Hmelo-Silver, Azevedo, 2006)，另一項困難點則是在於，複雜系統的學習是在向 學習者的認知、後設認知與自我調節學習能力挑戰。Assaraf 和 Orion (2004a)的 研究指出學生了解許多水循環的過程，但缺少動態循環和系統性的觀點；Kali et al. (2003)研究也指出學生發展岩石循環的系統思考困難點在於動態及循環的認

理解，即使這些學生擁有很強的數學和科學背景，但由於事先沒有接觸到系統動 態的概念，對於複雜系統也不是很了解。目前坊間許多科學教科書對於複雜現象 的解說是片面的，因此很難幫助學生對於複雜現象發展系統性及整合性的理解。

因為教科書大多只提供片斷知識而非大架構(Liu & Hmelo-Silver, 2009)。總而言 之，影響學生學習複雜系統的重要因素是學生的認知、後設認知與自我調節的過 程，處於國高中的學生對於自我的學習較無法擬訂計畫、設定目標去驅使學習以 及主動與先備知識加以連結，所以在教學現場中教學者就更應具備此教學知能協 助學生去瞭解複雜系統。

除了學習機制，學習者同時必須具備推理能力才能順利發展複雜系統。學習 者需要運用知識模型（例如：物理公式、立體模型）、特定領域知識、一般技能

（包括：認知、後設認知、自我調節）、實驗科學的推理能力(例如：生成假設、

數 據 收 集 與 分 析 、 結 果 溝 通 ) ， 若 沒 有 這 些 背 景 是 很 難 學 習 複 雜 系 統 的 ( Hmelo-Silver & Azevedo, 2006)。因此研究者認為在學習者在學習複雜系統上必 須努力提升自我的認知能力(後設認知、自我調節)和科學技能(運用資訊技能、進 行科學解釋)，如此才能加以解釋較為複雜的課室環境。

Orion (2002)指出由於自然環境是相互作用的子系統，學生應該明白操縱 複雜系統的任何一個組成部分，都可能引起連鎖反應，而學生則需要透過建模去 引導他們的探索和經驗(Hmelo-Silver, 2006)，由於學習環境的複雜性，因此有必 要提供鷹架以支持學生學習和探究的過程(Lajoie & Azevedo, in press)。此外，

Jacobson 與 Wilensky (2006)提出複雜系統經驗學習的重要性，但發現在教學中 只有講述式教學是不夠的，必須透過參與開放式的學習活動更能促使學生學習複 雜系統(Azevedo, Cromley & Seibert, 2004)。儘管學習複雜系統是困難的，這卻是 學習各種領域的基礎，並能成為整合許多學科的潛力。因此，本研究主要聚焦在 這個重要的議題上，研究者希望培養學習者的系統思考技能成為一種學習時思考 的習慣，以幫助學習者增加知識結構。