系统化思维在科学概念体系构建中的价值和作用

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）

强调概念的深入理解及科学概念体系的有意义构建，已成为各国课程改革的共识及愿景，系统化思维（systems thinking）是实现这一目标的有效途径［1］。当前系统化思维在学校课程中的融入，已成为国际理科课程改革的重要议题，已有部分教育发达国家将系统化思维相关内容成功融入本国的科学课程标准中，例如美国2013年颁布的《新一代科学教育课程标准》［2］，以跨学科概念的形式将“系统和系统模型”作为科学学习的重要内容，实现其理科课程改革“深入理解核心概念和跨学科概念”的教育目标。我国近期的理科课程设计与发展也密切关注科学概念体系的构建，例如2011版初中生物学课程标准［3］将帮助学生构建结构良好的科学概念体系，作为概念学习的重要目标。本文探讨了国际课程改革背景下系统化思维研究的理论溯源、内涵，及其与科学课程中概念体系的意义构建之间的联系，以期为我国理科课程改革和学生构建结构良好的概念系统等方面提供一定的启示和依据。

1 系统化思维的内涵本质

在英文文献中，系统化思维常用“system thinking”和“systems thinking”表示，而国内常将“systems thinking”翻译为系统思考，目前对其概念的界定仍未达成一致。当前，许多科学教育者对“系统化思维”的内涵进行了研究并给出了不同界定。

美国国家研究理事会（The National Research Council）将系统性思维定义为：能够理解一个完整的系统是如何运作的；系统中一个部分的改变，行为和故障对其他部分的影响；在工作中采用全局视角分析问题；它包括判断和做决策，系统分析、系统评价和对影响工作的不同要素如何相互影响的抽象推理能力［1］。美国科学教育著名学者拜比教授（Bybee）［4］认为，科学教育中系统化思维指的是：理解系统；理解系统的一个部分如何影响其他部分；能够在全局背景下系统分析问题；判断和决策能力；系统分析和评价；抽象推理系统中元素间的关系。切克兰德（Checkland）［5］认为，系统化思维也是一套概念框架或话语体系，可以运用其整理人们的思想，这是各种思维方式的共性；而作为一种特殊的思维方式，系统化思维的个性是借助“系统”这个词所把握的整体性概念整理人们的思想，强调把握对象的整体性，强调将思维成果系统化。康纳（Connor）等［6］认为：系统化思维使人们的思考过程超越事物间相互关系表现出的外部表征现象，从而看到潜在的决定其表征现象的内在结构；系统化思维即整体地看待事物，也从各个部分看待事物，还要看到各部分间的联系，研究整体也是为了理解部分。

综上所述：系统化思维的内涵包括广义和狭义2个方面，狭义的系统化思维特指对“系统”概念的深入理解。而广义的系统化思维是一种思考问题的元认知策略和方法，包括3个要素：理解系统如何运作、系统分析和评价，以及判断和决策能力。它强调从系统的角度思考和分析问题，首先理解组成系统的各个元素的结构和功能，各元素之间的内部行为关系，以及系统作为一个整体是如何运作的，其次在重新审视原问题情境的基础上模拟系统的内部行为过程，将内隐的心理活动通过语言文字、图表、计算机仿真技术等外部行为表征出来，从而作出判断和决策并解决实际问题。具备系统化思维能力的人应能够理解系统概念，并在理解系统概念的基础上应用系统方法模拟分析系统，最终作出明智的判断和决策。

2 系统化思维在科学课程中的适切性

将系统化思维纳入课程改革范畴中，需首先确定系统化思维在科学课程中的适切性。从认知水平来说，系统化思维属于高阶思维，但这并不意味着中、小学科学课程中难以融入系统化思维，本文从学生的认知情况和科学课程的设置2个方面，阐述系统化思维在科学课程中的适切性问题。

首先，已有一系列实证研究指出，中、小学生均有应对复杂系统的能力、具有发展系统化思维的潜力。例如在地球科学领域，阿萨拉夫等［7］研究了小学生和初中生在地球科学中发展系统化思维的可能性，并得出结论：不论小学生还是中学生都具备处理复杂系统的潜力，且地球科学可以帮助培养学生的系统化思维。科妮莉亚（Cornelia）等［8］研究了小学生在生物学课堂中发展系统化思维的可能性，并得出小学生可以在生物学课学习中发展系统化思维的结论。 玛丽亚（Maria）等［9］的研究也表明小学生有能力发展系统化思维。凯尔斯特（Kerst）等［10］研究了在生物学教育中发展系统化思维的可能性，指出系统化思维引入生物学教育是有潜力的。此外，系统动力学也很关注如何培养人们系统思考的能力，每年的系统动力学大会都会有这方面的研究。研究表明成人不是直觉的系统分析者［11］，儿童学习系统思考的速度相当快，每个人都具备成为系统思考者的潜能，即使教育中的线段式思考也无法将人的这部分潜能完全抑制下去［12］。此外，我国也有相关的实践研究，例如南京市教育局系统思考课题组以系统动力学为理论基础，利用STELLA软件为辅助工具，在高中开设《系统思考》校本课程并取得良好效果，证明了系统化思维具有融入中学课堂的可能性。

其次，当前国际科学课程已开始关注系统化思维在科学教育中的培养，多个地区科学课程标准中均涉及相关内容。例如，美国的纽约州及华盛顿州、加拿大安大略省、澳大利亚等地区的科学课程标准中，以跨学科概念“系统”或系统化思维的形式，强调系统思想在科学课程学习中的重要性，此外，在当前国际科学课程改革中起着风向标作用的美国新版《K-12科学教育标准》中，也以跨学科概念的形式明确提出“系统和系统模型”，旨在发展学生从系统的角度分析思考问题的能力。以上说明系统化思维在科学课程中具有特殊的价值与地位，并将其融入课程标准，可被视为科学课程改革的一种有意义的尝试。

3 系统化思维在科学概念体系构建中具有重要作用

当前系统化思维的研究已受到广泛关注，特别是近年来美国等教育发达国家的科学课程标准中相继出现相关内容，探讨系统化思维在科学概念体系构建中的价值和作用，已成为国际理科课程改革的新议题。科学概念具有层次和结构，概念之间包含逻辑关系，科学概念的学习是一个有层次结构且互相联系的复杂系统。因此，学习者形成科学概念体系，有助于实现科学概念的有意义学习和深入理解，而系统化思维在促进学习者科学概念系统的发展和有意义构建方面有重要意义。

3.1 科学概念具有层次结构，概念的学习是一个复杂的系统 科学概念具有层次和结构，概念之间存在上、下位的层次关系，一个上位的科学概念之下有众多的下位科学概念及其概念之间的联系。奥苏贝尔［13］认为：概念不是一段孤立的词句，而是一个层次性的结构，知识之间有上、下位关系。 进一步地，肖沃尔特（Showalter）［14-15］根据科学概念有逻辑且互相关联的特征，构建了由7层概念组成的科学概念的结构，即：知觉感受、直接概念、事实概念、定律概念、创设概念、原理概念及理论概念。7层概念有上、下位之分，理论概念是层次最高的概念，囊括了各类下位概念及概念之间的联系。由此可知，科学概念不仅是对客观事物的本质描述，还是一种更复杂的概念体系，其中包含了事物的内在属性、事物的深层结构，以及事物之间的逻辑关系，即科学概念的学习是一个有层次结构且互相联系的复杂系统。

与此同时，苏珊（Susan）等［16］指出，在科学教学中，一些科学概念难以教授，其中的一个原因就是这些概念的学习是一个复杂的系统，有许多相互联系的部分和片段，通常包含有多种组织水平，只有理解了这个系统的各个子概念及子概念之间的关系，才能深入理解这一科学概念，仅仅对概念系统各部分的机械记忆，无法构建对概念系统整体复杂性的理解，例如细胞活动影响组织、器官甚至环境的功能。 阿萨拉夫（Assaraf）等［17］的研究表明，当学生描述地球水循环的过程时，学生的陈述只包括片段的知识，缺少动态循环和系统的观点。即学生对某一主题的若干概念的理解始终停留在一个局部的、静态的、片断的、线性的、单一层面的、缺少联系的初级水平，无法达到一个整体连贯、相互联系的高级水平，在科学概念的学习中，学习者往往将焦点放在零碎知识术语的记忆，而忽略概念间的联系，以至于难以形成连贯一致的概念体系和良好的知识结构。

3.2 构建概念体系，促进科学概念的有意义学习科学概念的学习一直是科学素养的重要组成部分，科学概念的有意义学习和构建是科学课程改革的重要目标。美国科学促进会（American Association for the Advancement of Science，AAAS），在《科学素养的基准》中明确指出：有效的科学学习应让学生掌握核心概念结构及概念之间的关系，而不是记忆孤立事实和概念［18］。从建构主义的视角来看，学生的概念理解是一个自我构建的过程，是基于学习者已知和相信的事物之上，构建个人概念系统的过程。在学生的科学概念构建中，学习者需要以已有知识经验为基础，以有意义学习的方式将新概念整合到原有知识经验中，有意义的学习需要学习者不断关联和调整新概念与原有认知结构之间的关系，在此过程中建立新的联系从而获得新的意义（acquire new meaning），最终形成逻辑连贯、内部一致的认知结构（cognitive structure）［19］。

由此可知，若学习者的概念学习是零碎知识的堆积，概念之间没有形成关联，便不能生成对科学概念的有意义学习，只有概念之间通过一定的逻辑相互关联，逐步构建学习者自身的概念体系时，学习者才能真正实现有意义学习和科学概念的深入理解。另一方面，零碎的知识信息也不利于迁移和应用，若学习者未建立连贯一致、相互联系的概念系统，对概念的学习停留在一系列没有关联意义、杂乱片面、难以迁移应用的知识学习，则学习者在日后遇到复杂问题时往往难以提取相关概念，缺乏综合分析信息、解决问题的能力。

3.3 系统化思维促进学习者科学概念系统的发展和有意义构建 针对以上问题，已有研究人员提出从系统思想的角度出发，研究学生概念理解与系统化思维之间的关系。格兰特（Grant）［20］的研究表明用系统的方法学习，有助于学生成为主动学习者，主动学习有利于学生深入理解科学概念、技能和科学本质［21］。格雷策（Grotzer）等［22］的实证研究表明，系统化思维的发展水平与科学教育中的概念理解有一定关系。维里特斯（Vachliotis）等［23］研究了学生系统化思维水平的发展与化学概念有意义理解之间的关系，并从中得出系统化思维与概念的有意义理解之间有显著相关性的结论。叶斯特拉（Westra）［24］通过实证研究证实系统化思维可帮助学生更好地理解生态系统的复杂性和动态性。

系统化思维可帮助学生从“系统”的角度看待学科的概念观点，当遇到某一复杂问题时可对不同学科概念进行综合分析，以问题为中心重新构建自己的概念体系，整合重排概念框架，深化对学科概念的理解，促进知识间的联系和相互影响，从而促使学习者从被动学习转化为主动学习，从机械记忆片段信息转变为有意义学习，最终建立学习者个体独特的概念系统。系统化思维为学习者组织、管理和发展概念系统提供了一套新的方法，帮助学习者深入理解科学概念，构建逻辑相互关联、结构良好的概念系统。

4 系统化思维在科学教育课程改革中的潜在价值及研究展望

当前国际科学课程改革的重要趋势是探索系统化思维在学校课程中的渗透和培养，以便帮助学生构建结构良好的概念体系，从而发展对科学概念的深入理解及其在科学实践中的灵活运用。我国近期的理科课程改革也高度强调知识之间的整合，以及科学概念体系的有意义构建，并明确提出［25］：要帮助学生建立有意义的知识框架，由概念所构建的知识网络是知识框架中的主干，一旦这个知识框架形成以后，学生就可以用它排布、梳理知识，使得包括重要事实在内的细节知识都在这个框架中有合理的位置，便于记忆和检索。科学概念可有不同大小，较小的科学概念可连接到较大的概念，而较大的概念可连接到更大一些的概念，即科学概念是有大小、层次、结构和上、下位之分的。理解概念之间存在的上述关系，对于发展学生对科学概念的深入理解至关重要，因此围绕大概念帮助学生发展科学概念体系，是促进科学概念深入理解的有效途径。

尽管我国基础教育课程改革已取得了诸多成果，但在科学概念体系的有意义构建方面所面对的挑战依然存在，包括结构良好的科学概念体系是怎样的，如何帮助学生围绕核心概念组织构建已有知识，如何发展学生对科学概念的深入理解，这些都是科学教育亟待解决的问题。系统化思维的相关研究为解决这一困惑提供了方法和思路，它将学习者的零碎概念放置在大视阈之下，避免概念学习中出现“只见树木，不见森林”的困境，强调从系统的角度在新、旧概念之间建立有意义的联结，生成的众多联结最终引发结构化科学概念体系的产生。此外，国际上已有众多研究表明，在中、小学课程中融入系统化思维是可行且有价值的，因此有必要在我国中、小学科学教育领域展开对系统化思维的深入研究和实践探索，为我国理科课程改革提供有效参考和合理依据，以进一步提高我国科学教育的质量和学生的科学素养。