系统化思维研究新进展及其在科学教育课程改革中的重要作用

周丐晓 刘恩山 *

（1北京师范大学生命科学学院 北京 100875 2温州大学生命与环境科学学院 浙江温州 325035）

近年来为应对全球化、知识化和信息化等挑战，世界各国不断推进课程改革。国际课程改革的趋势之一是：更加注重课程的整合性，学科之间的联系越来越紧密。例如芬兰提出：基础教育要去学科化，强调综合，提倡从现象学的视角研究教育，这符合学生发展核心素养综合发展的需要，尤其是在小学教育阶段，必须提高教学的综合性［1］。具体在课堂教学中，这种教学的综合性主要集中表现为知识的整合以形成知识系统。美国教育研究者汲取教育研究各领域的丰硕成果，提出了21世纪技能，认为“系统化思维”（systems thinking）是21世纪所需的重要技能，系统化思维也是实现不同领域知识关联、多种能力整合，以及知识和能力相互渗透发展这一愿景的有效途径［2］。

当前系统化思维的研究已受到国际教育界和课程设计人员的广泛关注，尤其是学习科学和科学教育领域，为国际理科课程改革注入了新元素和新思路。系统化思维作为一种复杂多维的高阶思维，是种打破学科边界的跨学科思维能力，当前各学科对其进行的研究与界定都是基于特定的学科视角下的有限探索。另一方面，当前关于系统化思维在教育中的研究还较为薄弱，理论研究基础不够，实践应用更是难以推进。系统化思维的研究吸收和借鉴了不同领域的研究成果，追溯和分析不同领域的理论观点和研究发展，有助于厘清和理解系统化思维的发展脉络。因此，在将其引入理科教学前，对其理论研究进行详尽梳理和深入分析具有重要意义。本文基于系统动力学、学习科学，以及科学教育领域的系统化思维相关研究，综述系统化思维研究的提出与发展、现状，以及对当今科学教育课程改革的重要价值及意义，为探索系统化思维在科学教育课程改革和教学实践中的价值与应用提供一定的支持。

1 “系统化思维”在系统动力学建模中具有重要作用

“系统化思维”源于系统动力学，1956年美国麻省理工学院（MIT）的福瑞斯特（Jay W.Forrester）教授在系统论的基础上创建了系统动力学，系统动力学（systems dynamics）是研究分析有关复杂系统信息反馈系统动态趋势的学科，系统动力学根据信息反馈和因果关系分析系统结构，模拟系统内部动态反馈行为，从而建立系统模型并在此基础上制定决策。它以控制论、控制工程、系统工程、信息处理和计算机仿真技术为基础，研究复杂系统随时间推移而产生的行为模式。在系统动力学中，系统的行为模式被看成是由系统内部的信息反馈机制决定的，通过建立系统动力学模型及对真实系统的模拟，可以研究系统的结构、功能和行为之间的动态关系，以便人们作出最优决策［3］。国内通常将系统动力学中的systems thinking翻译为“系统思考”。此外，系统动力学注重开发应用相关软件帮助人们分析系统问题，例如STELLA、iThink等。

在系统动力学的基础上，研究者提出了系统化思维：它关注的是事物之间反馈循环的关系，而不是简单的线性因果关系，强调以整体和动态的视角看问题，全面把握局部和整体、静态与动态、近期与远期的关系，纵观全局并将问题放到整个系统中，逐级分析各结构层次，探索事件发生的深层次原因，帮助人们理解复杂的系统，从而做出正确的决策，并解决现实社会中面对的复杂问题。20世纪80年代后期，在福瑞斯特教授等人的积极推动下，美国数所学校积极参与到系统化思维融入K-12年级教育的研究项目中。目前全美约有400多所中、小学引进了这方面的教学研究，最著名的是亚利桑那州的土桑市（Tucson）橘树中学（Orange Grove Middle School）。学生利用系统思考软件STELLA，模拟思考社会、经济、自然科学、数学、政治等不同领域的问题，通过因果环路图、栈流图、行为随时间变化图等方式培养发展系统化思维。

2 学习科学尤为关注学习者对“复杂系统”的理解

学习科学的研究表明：相比新手的概念组织方式，专家的知识是以核心概念或“大观点”为中心，将相关领域的事实和公式加以系统组织，这些概念自上而下、相互联系，最终形成一个独特的网状概念系统。专家通过构建自己的概念系统，对概念达到深入理解，从而可以轻而易举地利用这些概念和观点引导他们去思考专业问题，最终解决问题。相比新手，专家系统分析、组织信息的能力更强，专家更擅长系统思考问题［4］。近年来，学习科学在复杂系统和复杂性理论方面的研究一直呈上升趋势，同样学生应对复杂自然界、社会和技术的能力也是研究关注的焦点问题。尽管不同研究团体的研究成果有一定差异但也有许多共性，学习科学对复杂系统的理解可简要地概述为以下几点：①许多自然系统都在多个不同组织水平上运作。②系统内包含非线性联系，这些联系存在于有正负反馈关系的元素之间。③尽管这些联系仅存在于元素之间，仍可将系统看作一个整体，这对理解系统的模式很重要。④系统水平的模式可以在没有任何推动力的情况下出现，以元素间自我组织的形式。⑤在不同领域会发现相同的系统模式，这有助于发现他们之间的共性［5］。

传统的教学较关注系统的组成元素，而不是系统内包含的各种过程。复杂系统通常由相互依赖的多层组织构成，各层级之间隐藏的关系不易察觉。此外，他们更加关注系统的结构而非潜在的功能，因此在推理因果关系时，容易忽略系统内的联系和复杂的因果关系，倾向于非常简单的因果关系［6］。 西尔弗（Silver）等对系统难以理解的原因做了分析并得出结论：人们通常较关注能观察到的结构，而对于观察不到的动态关系则感到理解困难［7］。系统难以理解的原因主要有以下3点：1）对于工作记忆来说，同时处理事件和其中包含的关系有些困难，因为这其中既包括模拟事件的心理活动，还包括复杂的推理过程。2）系统间各元素之间的关系并不都是线性因果关系，在系统的不同水平之间建立联系也给工作记忆带来负担。3）复杂系统具有突现的特征，但这一特征很难从各元素的性质推算出来，系统整体具有各元素没有的特征。例如，糖是甜的，而组成糖的原子（碳、氢、氧）却不甜。复杂系统中的重要概念通常是反直觉的，因此学生要想学会从复杂系统角度思考问题，就必须经历一个很强的概念转变过程。教学不仅要关注这些概念，还要丰富学生的知识网络和对世界的认识，这样才能建立起复杂系统的观念。迈克尔（Michael）等还提出了帮助学生学习复杂系统的原则：体验复杂系统情境，使复杂系统概念框架更清晰，鼓励合作、讨论和反思，构建理论、模型和经验，为深入理解和探究的学习策略［8］。

3 “系统化思维”已成为当今科学教育研究领域中的新兴议题

近年来，随着理科课程改革的发展，国际科学教育界对“系统化思维”的关注日益增多。关于“系统化思维”的相关研究，科学教育者的关注点主要聚焦在2个方面：对跨学科概念“系统”的研究和对思维能力“系统化思维”的相关研究。在科学教育中对“系统”思想的渗入，也主要以跨学科概念“系统”的理解和“系统化思维”的融入2种方式进行。

3.1 在跨学科概念“系统”方面的研究 首先，在对跨学科概念“系统”的研究方面，在美国科学促进会发表的重要文件《面向全体美国人（的科学）》［9］中，将系统视为由相互影响的任何事物集合而成的有机整体，理解系统的内涵就必须了解系统组成的元素，系统内部各个方面是如何相互联系在一起，以及系统作为一个整体，如何与其他系统发生联系。之后，在1996年的《美国科学教育标准》［10］中，除了各学科领域的内容标准外，还提出独立于科学内容的“统一的概念和过程”（unifying concepts and processes），标准指出青少年往往容易将各种现象隔离开来，而不是从系统的角度加以解释，由此提出“系统、秩序和组织”（systems，order，and organization）的概念，认为系统是相关物体或构成整体的各个部分的有组织的集合，系统具有边界、构件、资源流（输入和输出）及反馈，并进一步设置了“让学生学会从系统的角度思考和分析问题”的目标。在2012年的美国K-12科学教育框架［11］和美国 2013 年新版《科学教育标准》［12］中以跨学科概念 （crosscutting concepts）的形式提出“系统和系统模型”（systems and system models），更凸显了对“系统”概念的重视，并做出了更为详细的诠释，提出从低年级就应注意培养学生分析系统的能力。表1呈现的是几份科学教育课程重要文件中的跨学科概念“系统”的术语描述和界定。跨学科概念涉及科学、技术、数学等不同学科领域的最基本概念，这些概念跨越了学科边界，能够体现不同学科内容的内在一致性，具有广泛的迁移性、稳定性和适用性。在上述几份关于科学课程的重要文件中，与“系统”相关的跨学科概念的术语虽然略有差异，但对其内涵的界定和诠释基本是一致的。由此可知“系统”概念在科学教育课程中的地位日益重要。

表1 国际科学教育课程改革重要文件中的跨学科概念“系统”

3.2 在对思维能力“系统化思维”的相关研究在对思维能力“系统化思维”的相关研究上，美国科学促进会的重要文件《科学素养的基准》中明确指出：高层次思维的重要标志之一是具有能从系统各部分考虑整体，又能从各部分之间，以及各部分与总体之间的相互关系考虑各部分的能力。2007年，美国国家研究理事会（The National Research Council）提出了 21 世纪技能［2］，认为“系统化思维”（systems thinking）是21世纪所必备的重要技能。当前，部分地区已经意识到其重要性并将将系统化思维（systems thinking）融入科学课程标准之中，例如纽约科学课程标准［13］在通用主题（common themes）部分融入“系统化思维”（systems thinking）并提出：学生通过系统化思维的培养，能识别所有系统间的共性、系统的各部分如何联系在一起，以及如何执行具体的功能。2009年修订版的华盛顿州科学课程标准［14］在跨学科的概念和能力（crosscutting concepts and abilities）中新增“系统”（systems），并着重强调了“系统”思想（systems thinking）的重要性，提出在气候变化、基因工程、设计复杂的技术系统这样跨学科的领域，系统的思想越来越重要，系统化思维帮助学生理解和分析科学概念和问题，解决他们在日常生活中的遇到的问题。越来越多的教育者提出要将“系统化思维”的培养融入到科学教育中。

概括来说，系统化思维研究的源起是学习科学、系统动力学及科学教育3个不同领域的研究协同发展、互相促进的结果，虽然各个领域研究的立场及侧重点不同，但这3个领域的相关研究均促进了系统化思维研究的丰富和发展。表2呈现对系统化思维研究有重要影响的理论及相关研究，一方面指出了研究的立场角度，另一方面概括了与其相关的主要的观点。

表2 与系统化思维相关的理论来源及主要观点

4 “系统化思维”相关研究对我国科学教育课程改革的启示

当前国际上系统化思维的研究已日趋完善，美国等教育发达国家的课程改革人员已将其研究成果有效融入课程标准和学校教育中，而我国科学教育领域的相关研究尚未起步，基于以上国、内外对系统化思维的相关研究，结合我国科学教育现状，系统化思维的研究对我国理科课程改革的发展有以下启示。

4.1 科学课程需要关注结构良好概念体系的构建，为多学科知识的整合提供助力 结构良好的科学概念体系的构建，需要关注概念的横向和纵向发展2个维度。在横向维度上，高度关注的是不同学科概念、跨学科概念之间的整合，突出在概念之间建立起逻辑关联。由单一学科的较小概念突破学科界限，逐步扩展为跨学科的较大概念，而这一过程中，小概念之间潜在的内在逻辑性或价值关联是它们互相吸引的磁力。另一方面，在科学概念体系构建的纵向维度上，主要强调的是概念发展的连贯有序、有机衔接，当前国际科学课程的设计的主流方向是围绕大概念组织课程内容，通过学习进阶描述学生随着年级递增对概念的日臻精致、逐渐深入的理解过程，帮助学生建立连贯发展、整体一致的概念序列，从而在纵向维度上实现学生结构良好概念体系的构建。这也从侧面映证了国际科学教育改革十分关注概念体系的构建。

科学课程需要高度关注学生结构良好的概念体系的发展，避免仅仅堆砌片段而零散的信息，只有概念之间通过内在逻辑产生有机的连锁反应，围绕核心概念将多学科的概念从横向和纵向2个维度统整在一起，学生才能真正形成连贯一致、结构良好的概念体系。此外，学习者的科学概念体系不是一成不变的，这一体系应具有可持续发展性和生命力，然而，若只是杂乱概念的增加，没有形成概念之间有意义联系便无法实现结构良好的科学概念体系的持续生成，即这些概念是惰性的，即使存在也不起任何作用，而系统化思维正是激活科学概念体系构建这一复杂过程的催化剂。

4.2 系统化思维帮助学生构建结构良好的概念体系，发展对科学概念的深入理解 提高学生的科学素养已成为当代科学教育课程改革的重要目标，这一目标的实现要求学生能够从系统的角度分析问题，从而超越学科界限系统思考问题，并最终利用多学科的知识和技能解决生活学习中的问题。科学素养的提高与科学概念的深入理解密切相关，但当前的研究表明，学生习惯于记忆片段的知识［15］，学生往往易将各种现象隔离开来，而不是从系统的角度加以解释复杂现象［16］，零散晦涩、毫无联系的概念知识不利于学生对科学概念的深入理解及迁移应用，这导致学生对事物之间相互联系的关注较少，对科学概念和现象的认识缺乏连贯性、动态性和整体性，不利于发展对科学概念和现象的深入理解。

系统化思维为实现科学概念的深入理解及结构良好的概念系统的构建提供了一定参考，系统化思维可帮助学习者围绕核心概念统整多学科的知识，使之相互关联、相互融合，从而构建结构良好的概念体系，另一方面，以统整后的概念体系为载体，学习者可重新组织、转变和扩展他们对原有科学概念的理解，从而达到深入理解科学概念的目的。总而言之，系统化思维是一种认知工具，可帮助学习者发现概念之间隐藏的联系，并将零碎的知识信息组织起来，对新知识进行改造重组后，将其融入学习者原有的知识体系中，最终构建个体独特的概念系统，从而发展学生对科学概念的深入理解。

4.3 系统化思维促进学生科学思维的发展，为知识的应用迁移提供方法指导 提高学生的科学素养是当前理科课程改革的重要目标，这一目标的实现不仅依赖于学生对科学知识的理解，更为重要的是发展学生的科学思维。美国课程专家埃里克森认为：课程应重视学生思维能力的提升，而不仅仅是掌握更多的知识［17］。长期以来，思维能力的培养都是科学教育面临的一大难题。另一方面，我国目前的初中科学课程设置呈现分科科学和综合科学并行的局面，有研究指出：综合科学与分科科学课程学生在实验设计思维、科学方法的掌握与运用等方面存在显著性差异［18］。分科科学更强调学科内的逻辑性，便于学生学习某一特定学科的专题知识，但这样的课程设置将各学科割裂开来，阻碍学生将自然界作为一个整体进行探究，最终影响学生问题解决能力、科学思维的发展。

系统化思维具有跨学科和整合的特征，是一种思考问题的方法。在学生已有科学知识的基础之上，系统化思维从整合的视角为学习者提供了一种认识事物、分析事物的认知方法，可帮助学习者突破学科的藩篱，将具有内在逻辑性或价值关联的不同学科知识围绕某一核心概念重新整合，促进学生形成对自然界的整体认知和应用迁移知识的能力，由此为科学思维的发展搭建平台。具体来说，在实践教学中，教师可在学生对系统的理解基础上，设置一定的问题情境，让学生对系统进行分析模拟，充分调动和应用各科学知识，使之做出决策、解决现实问题，以促进学生科学思维的发展。