生命周期理论在化学教育中的应用： 研究进展及其启示

龚文慧

摘要：生命周期理论的重要性逐渐在国际教育研究中显现出来，并开始引起基础教育阶段化学课程及教学研究者的关注。通过梳理生命周期的理论研究进展，以及生命周期理论在中学化学在职培训课程、教学研究及教材研究中的应用研究进展，提出了生命周期理论对于我国化学教育的启示，以期对我国化学教育的发展提供有益借鉴。

关键词：生命周期理论; 可持续发展; 化学教育

文章编号：1005-6629（2021）08-0003-07

中图分类号：G633.8

文献标识码：B

生命周期是材料或产品从原材料到产品再到最终处置的一系列步骤[1]。分析产品的综合生命周期本身就是一个先进的科学领域，生命周期分析是通过量化不同化学品、材料和能源的净流量来评估产品、过程或活动的环境负担的综合性方法[2]，它整合了绿色化学、可持续化学和工程等领域的内容，而且通常涉及科学伦理与道德意识[3]，是培养学生跨学科能力和综合素养的重要理论。

近几年，多国研究者陆续进行了一些有关生命周期理论在教育领域的应用研究，研究对象大部分都是高等教育阶段的工科生，如化学、制造、土木和环境工程等[4]。其中，一些研究者也逐渐将生命周期理论聚焦到了中学化学教育中，并逐渐引起了人们的重视。因此，非常有必要对生命周期理论在基础化学教育中的理论发展及应用研究进行系统梳理。

1 国外生命周期理论研究进展

教育领域中生命周期理论的思想最早脱胎于生命周期评价理论，教育理论研究者根据教育的自身特点及社会发展的需求，将生命周期评价理论进行了批判性继承及转化，从而发展出了具有鲜明教育特色的生命周期理论。

1.1 生命周期评价的理论框架

生命周期评价（life cycle assessment， LCA）最早可追溯到1969年由美国中西部资源研究所（MRI）展开的针对可口可乐公司的饮料包装瓶进行评价的研究。该研究试图从最初的原材料采掘到最终的废弃物处理的全过程进行跟踪与定量分析。1989年，荷兰国家居住、规划与环境部（VROM）针对传统的“末端控制”环境政策，首次提出产品生命周期，并指出要对产品整个生命周期内的所有环境影响进行评价，对生命周期评价的基本方法和数据进行标准化。1990年，在国际环境毒理学与化学学会（SETAC）主持召开的有关生命周期评价的国际研讨会上，首次提出了“生命周期评价”的概念。1993年，国际标准化组织（ISO）开始起草ISO14000国际标准，正式将生命周期评价纳入该体系。此后，研究者对生命周期评价的理论框架进行了不同程度的修订和完善。当前，生命周期评价（LCA）的主要依据是国际标准化组织发布的LCA标准14040和14044。生命周期评价框架是由四个互相联系且不断重复进行的阶段组成的，即目的与范围的定义、清单分析、环境影响以及结果解释[5]（如图1所示）。

在目的与范围的定义阶段，基于目的、预期应用和受众，对整个系统及其边界的描述、影响类别、方法的选择以及对数据质量要求及其局限性进行系统考虑，

如要分析产品的具体生产工艺、确定生产工艺各个阶段所要研究的数据等;清单分析阶段主要包括量化产品系统、生产工艺在其整个生命周期内的输入（如原材料和能源）和输出（如废气、废物、废水等），并建立以产品功能单位表达的产品系统的输入和输出（即建立清单），这一阶段需要考虑目标和范围决策，数据的收集和编译是在一个迭代的过程中完成的;在环境影响阶段，根据清单分析的结果计算潜在的环境影响，并对清单分析阶段的数据进行定性或定量排序，其目的是为了肯定对清单结果的重要性以及加深对生命周期评价预期目标的理解;在结果解释阶段，根据生命周期评价前几个阶段的研究，对研究结果进行分析、解释，最后得出结论、解释局限性并提供建议。

上述生命周期评价的四个阶段构成了一种系统方法，用于计算在不同应用中使用的系统的整个生命周期内的环境负担和影响。

1.2 生命周期教育的理论框架

由于现实世界的差异、数据和方法选择的不确定性，一些研究者认为应该综合考虑社会和经济模型[6]。为了进一步适应课程与教学的要求，研究者对生命周期评价框架进行了一定的修正与发展。为使学生更加深入地理解复杂系统中的可持续发展的要素，就非常有必要形成一个包含系统概念和方法的理论框架。2017年，Mlkki和Alanne对可再生能源与可持续能源教育的生命周期评价与研究性教学进行了综述，并且提出了生命周期可持续性评价框架（life cycle sustainability assessment， LCSA）[7]（如圖2所示），这一框架包括生命周期评价（LCA）、生命周期思维（life cycle thinking， LCT）、生命周期成本（life cycle costing， LCC）和社会生命周期分析（social life cycle analysis， SLCA）。LCA、 LCC和SLCA提供了看待同一能源系统的三种不同方式[8]。其中，生命周期思维（LCT）可以帮助学生识别LCSA的各个阶段，并收集必要的数据，为LCA、 LCC和SLCA提供定量和定性的指标，从而在评估过程的早期阶段确定可能存在的问题。LCA作为一种定量方法可以产生数据和指标，以此来评估能源系统使用的资源、环境及健康影响。LCC是通过制定成本及收益指标来对资源系统进行评估，例如成本收益、市场竞争力、能源系统的私人和外部成本。SLCA是通过制定社会指标来评估系统，例如，企业政策、价值观、文化、人权等。

在现实情境中，开展生命周期评价时，通常需要同时考虑环境、经济和社会观点，这就会使评估系统的综合可持续性变得很复杂[9]。为了提高学生的生命周期的决策技能，有研究者提出了指导教师进行可持续能源教育的概念（如图3所示）。这一概念通过了解可持续发展的基本原则（可持续性）、适当的教学方法（教育）和综合可持续性工具（LCA）来展示可持续能源教育。可持续发展、教育和LCA的结合旨在为学生提供所需的能力、技能和意识，以规划、决策和分享本地和全球可持续能源解决方案的信息[10]。

尽管以上理论框架多来源于能源教育领域，但却可以为中学化学教育领域中应用生命周期理论提供有益的借鉴。

2 国外生命周期理论在中学化学教育中的应用研究进展

近几年，生命周期理论已经开始在国外教师在职培训课程、课堂教学及教材中逐渐涌现出来，并引起了理论研究者及实践工作者的广泛关注。

2.1 生命周期教育在职培训课程

生命周期是芬兰国家化学课程的关键目标之一，但芬兰化学教科书缺乏与生命周期相关的内容，基于此，芬兰将生命周期理论纳入化学教师教育以及在职培训课程。在2010年至2012年期间，芬兰开设了关于可持续发展、绿色化学、生命周期分析（Life-cycle analysis）和探究性学习（inquiry-based learning， IBL）方法的免费在职培训课程[11]，课程框架如图4所示。其中涉及的课程内容包括环境的化学化、电子产品的循环利用和绿色化学。教师分组讨论可持续发展、社会性科学议题、消费品生命周期评价和IBL方法。课程参与者的一个关键任务是与研究者合作开发新的以学生为中心的LCA-IBL教学理念，并且由教师在学校对这些理念进行测试，再由教师和一名研究人员进一步发展，最后由两位研究者对所有理念进行内容分析，以提高结果的有效性。

Juntunen和Aksela认为，作为教师的目标和标准，新的LCA化学教学理念应该遵循以下原则：（1）使用以探究为基础、以学生为中心的方法，重视强调学生自己的想法和问题;（2）培养合作学习、批判性思维、解决问题、沟通和评估的技能;（3）揭示化学在环境保护、可持续性、以价值为中心的讨论和以生命周期评价为方法的决策中的相关性。

根据20位教师提出的教学理念，Juntunen和Aksela以Joyce和Weil所提出的个人和社会教学模型作为理论基础，提出了个人教学理念和社会教学理念。个人教学理念指利用个人学习过程（如回忆信息），影响学生在基本领域的表现，它可以是非指导性和以人为本的。社会教学理念包括合作学习、同伴教学（peer-teaching-peer）、小组探究等方法。结果越复杂，思维、问题解决、社会技能和态度表现越优异，社会教学理念的效果就越大。

研究表明，教师可以通过几种不同的方式将LCA-IBL融入芬兰各个层次的化学教育中。其中，最受欢迎的是社会的、LCA-IBL教育（Social， project-based LCA-IBL education）。在教学过程中，教师对学生研究过程及有关生命周期讨论的评价多于对实际化学知识的评价。根据学生的技能水平和可用的时间，教师还可以有意义地调整LCA-IBL教育的难度水平，从而有效提升学生的多种能力，如学生如何在项目中持续评估生命周期数据，如何提出问题，批判性地讨论产品的伦理，并评论同行的发现。总之，研究表明，在化学教学中更有效地纳入LCA-IBL是可能的。目前，这一研究在芬兰已经具有了一定的影响力。

2.2 生命周期教学研究

Juntunen和Aksela[12]对LCA-IBL教学方法的实施效果进行了研究。该方法的目的是让学生以小组为单位思考产品生命周期的利弊。其教学结构如下：（1）通过视频或讨论等方式使学生熟悉生命周期主题;（2）学生小组制定有关LCA的一般性问题→根据学生的兴趣选择一种产品进行探究→制定这一产品的生命周期问题并选择研究问题→从感兴趣的资源中搜集信息→将研究问题的答案收集到他们感兴趣的平台上→反对另一组的工作，同时得到对方的建议→根据对手小组的提示改进他们的工作→准备展示→在展示时为他们的对手准备两个问题;（3）对手小组向展示小组提出至少两个问题;（4）关于项目、消费和公民行动可能性的总结讨论和/或辩论。在此过程中，学生收集了有关原材料、制造工艺和应用，以及回收和废物管理的数据信息，能力强的小组还调查了关于产品寿命、足迹、健康影响和环境影响的精确或估计信息。根据教师、学生小组和感兴趣的产品的不同，在2～3周的时间内花费了大约10～15个小时进行干预，工作的内容由学生自己决定。因此，他们学会了对自己的学习负责。在整个项目中，教师的角色就是一个促进者，在学生需要帮助或鼓励时，用想法支持他们。

结果发现，这种方法可以显著地促进可持续发展理念在中学化学教育的落实，对学生的化学态度和环境素养能够产生积极的影响，而且在提高学生对社会性科学议题的一般论证能力方面具有潜力。通过访谈发现，学生倾向于认为，基于探究性生命周期学习方法所学习的化学课程比传统的化学课程更有意义，也更加多样化。他们开始把化学看作是一门支持普通知识或普通素养的学科，在化学课上学到了有关物质和产品的有益知识，认识到了环境保护尤其是循环利用的重要性，促进了他们对生命周期和消费的深度思考，意识到了在实际决策中不同的利益相关者会持矛盾的看法。大多数受访学生认为，他们的实际行为可能会因为这种教学方法而改变。这一研究是一个如何在化学课程、可持续性问题、伦理和学生日常生活之间建立必要的、有意义的和跨学科联系的重要范例。研究者呼吁今后的研究应着眼于寻找将生命周期纳入化学教育的有效途径。作为未来的公民，学生应该获得对产品和过程进行生命周期分析所需的技能。在化学教育中开展生命周期教育，既要有翔实的实例，又要充分认识教学方法的有效性，这对于提高21世纪化学课堂的可持续发展教育的水平，促进社会的可持续发展至关重要。

Juntunen和Aksela[13]还通过将社会性科学议题、生命周期分析及基于探究的学习相结合的方式，致力于提高化学教学中的可持续发展教育。研究结果表明，通过对产品进行生命周期分析，有助于培養学生的高阶思维和系统思维，学生的论证能力更加多样化，学生会从社会经济（成本或收益）、伦理论据（与价值观、美学或未来相关的观点）、生态论据（对生态系统的影响、对生态友好的产品和生活方式）和科学论据（自然资源、技术、能源、材料和污染）等多角度对产品的生命周期进行分析。作者认为以学生为中心的产品生命周期分析是一种适合中学生社会科学论证的教学方法。这一研究为如何在中学化学教育中进行生命周期分析提供了有益的启示，同时显示了使学生参与可持续发展问题的潜力。

2.3 生命周期教材研究

目前，国外已经开始出现了以生命周期理论为指导思想来编写的中学化学教材。以美国中学化学教材《社会中的化学》（《Chemistry in the Community》）第六版[14]为例，该教材在编写“矿物及摩尔（MINERALS AND MOLES）”部分时，以“在金属的生命周期中化学的角色是什么？”为副标题，以生命周期理论为线索进行展开。教材明确指出分析师在设计供人类使用的新产品时，会考虑所涉及材料的整个生命周期。材料的生命周期包括几个不同的阶段：首先获得原材料，经提炼合成所需的材料（材料获取）。然后，将这些材料制作成具有特定用途的产品（制造）。消费者在使用该产品后会根据产品和环境决定保存或重新利用（使用/重用/维护）该产品。当产品不再有用时，可能会被回收及循环再造，或被弃置于堆填区（循环再造/废物管理）。在循环的每个阶段都会使用能源和资源，同时也会产生废物和排放物，这些都应该包括在整个生命周期的分析过程之中。由于能源、资源使用和废物管理会影响经济和环境，材料生命周期中的每一步都成为化学家和工程师设计新产品时需要考虑的因素。该教材将铸币金属的提取和加工作为一般金属生命周期的模型，并以金属铜为例，对铜的生命周期（包括开采铜矿石、还原矿石以获得金属、形成金属以供最终使用，然后对金属进行回收或丢弃）进行了分析，并用图示显化了这一过程（如图5所示）。

3 研究建议与启示

将生命周期理论纳入化学教育既具有重要的理论价值，也具有一定的实践意义。国外已经将生命周期理论融入到了化学课程与教学目标之中，并且取得了一些经验，这可以为我国中学化学教育的发展提供借鉴。

3.1 中学化学教育逐步引入生命周期理论的理论价值

将生命周期理论纳入化学教育是化学教育发展之必需。这主要是因为：（1）化学产品都是有生命周期的，生命周期理论可以为化学教育提供学习线索;（2）生命周期理论切合化学教育的一些理念，如资源充分利用、环境保护、可持续发展等，有助于提升学生21世纪所需的重要素养。

将生命周期理论纳入化学教育是化学学科发展之必需。Talanquer等人通过分析教育政策的相关文件，发现化学关键思想受到化学这门传统科学概念化的限制，传统科学主要用来描述、解释和预测化学物质和过程的性质。然而，这种传统的化学观近年来受到了众多哲学家和历史学家的挑战，他们强调了化学作为一门“技术科学”的特征[15]。化学家将来不只是会解释和预测化学物质的性质，他们也会分析和设计物质的合成路线、转换和创造具有潜在应用价值的新物质。因此，化学学科面临着从传统意义上的描述性科学向技术性科学的转变。从技术科学的角度出发，学校化学教学应该包括化学设计实践，例如确定设计标准、给定约束条件或者借助已知的案例和经验规则来确定最佳的解决方案[16]。显然，化学学科“技术科学”的特征与生命周期理论的要求是高度契合的，对化学物质的生产制备、转换（合成）路径、物质提纯、废物处理等整个生命周期的分析，具有非常强的技术导向。

将生命周期理论纳入化学教育是职业发展之必需。研究表明，尽管在教育中引入生命周期理论存在困难，但未来对生命周期分析专家的需求会越来越大[17]。生命周期方法的引入不仅可以提高学生对工程师在保护环境和承担可持续社会责任中的作用的认识，而且有助于帮助学生明确未来职业的选择。

3.2 中学化学教育逐步引入生命周期理论的实践路径

在中学化学教育中逐步引入生命周期理论大致包括以下路径：

第一，在组织编写教材时，可以选取比较典型的产品或材料的生命周期作为思维模型，指导学生在典型思维模型的基础上，对其他一般性材料的生命周期进行自主分析与评价。在生命周期的整体与每一部分使用合适的方法，进行各有侧重的讨论。如依金属的生产、加工、使用、废弃组织，在生产中讨论资源充分利用，在使用时强调做好防护以增长使用期限，在废弃时注意环境保护。以美国中学化学教材《社会中的化学》为例，教材将铸币金属的提取和加工作为一般金属生命周期的模型，并对金属铜的生命周期进行了分析，这就有助于使学生基于铜的生命周期分析模型，从而学会对其他材料的生命周期进行分析与评价。目前，已经有研究者开始着手开发生命周期评价的软件，用来收集生命周期每一个阶段和流程的相关数据，并对数据结果进行解释，以此来构建整个生命周期的能量系统，这类软件的开发与应用也可以逐渐纳入到化学教育之中，以此来不断丰富生命周期分析的课程内容。

第二，将生命周期理论与其他教学方式相结合，探索并形成新型教学方式。例如，芬兰将生命周期分析与探究性学习相结合，形成了LCA-IBL教学方式，并产生了积极的影响。此外，将生命周期理论与情境教学、项目式教学、研究性教学等相结合，也有望成为重要的教学方式。

第三，组织一些与生命周期理论相关的专题培训。生命周期作为一种基于研究和可持续发展的教学方法，其实施效果如何最终取决于教师。因此，应该进一步对教师开展生命周期教育的理念及方法进行培训，使教师明确认识到学生对生命周期进行分析与评价的必要性，同时，促进教师开展生命周期教育教学方法及策略的提升。在这一方面，芬兰开展的生命周期教育在职培训课程的模式非常值得借鉴，这一课程由研究者与教师进行合作研究，共同开发适合进行生命周期教育的课程主题，循环设计并探索适合生命周期教育的教学方法。尽管基于探究性学习的方法进行生命周期教育已经被证明是一种有效的方法，但仍然需要更多的研究来对这一方法的教學效果及学生的学习表现进行深度探索。此外，还需要研究者对基础教育阶段生命周期理论的内涵、教学方法、教学策略以及评价方式等进行更加深入的研究。

参考文献：

[1][14]American Chemical Society. Chemistry in the Community （5th ed） [M]. New York：W. H. Freeman and Company， 2011：82， 88～110.

[2]Blackburn R S， Payne J D. Life cycle analysis of cotton towels：impact of domestic laundering and recommendations for extending periods between washing [J]. Green Chemistry， 2004， 6（7）：59～61.

[3][13]Juntunen M K， Aksela M K. Improving students argumentation skills through a product life-cycle analysis project in chemistry education[J]. Chemistry Education Research and Practice， 2014， 15（4）：639～649.

[4][7][10][17]Malkki H， Alanne K. An overview of life cycle assessment （LCA） and research-based teaching in renewable and sustainable energy education [J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews， 2017， 69（1）：218～231.

[5]樊慶锌， 敖红光， 孟超. 生命周期评价[J]. 环境科学与管理， 2007， 33（6）：177～180.

[6]Marvuglia A， Benetto E， Rege S， et al. Modelling approaches for consequential life-cycle assessment （C-LCA） of bioenergy：Critical review and proposed framework for biogas production [J]. Renewable & Sustainable Energy Reviews， 2013， 25（1）：768～781.

[8]Heijungs R， Huppes G， Guineé JB. Life cycle assessment and sustainability analysis of products， materials and technologies：toward scientific framework for sustainability life cycle analysis [J]. Polym Degrad Stabil， 2010， 95（3）：422～428.

[9]Liu G. Development of a general sustainability indicator for renewable energy systems：A review [J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews， 2014， 31（1）：611～621.

[11]Juntunen M K， Aksela M K. Life-cycle analysis and inquiry-based learning in chemistry teaching [J]. Science Education International， 2013， 24（2）：150～166.

[12]Juntunen M K， Aksela M K. Life-cycle thinking in inquiry-based sustainability education-effects on students attitudes towards chemistry and environmental literacy [J]. C.E.P.S Journal， 2013， 3（2）：157～180.

[15]Talanquer V， Sevian H. Chemistry in Past and New Science Frameworks and Standards：Gains， Losses， and Missed Opportunities [J]. Journal of Chemical Education， 2014， 91（1）：24～29.

[16]万延岚， 毕华林， 维森特·塔兰克. 化学教育研究的十个视角[J]. 化学教学， 2014， 36（6）：8～12.