关于将系统思维融入化学教育的教师观点外文翻译资料

 2023-03-12 16:18:01

关于将系统思维融入化学教育的教师观点

Faculty perspectives regarding the integration of systems thinking into chemistry education

Alice Jackson and Glenn A. Hurst

摘要：研究表明，系统思维有益于教育，有人提出，培训学生使用系统思维技术，可以提高他们理解和解决联合国可持续发展目标概述的社会当前面临的一些全球重大挑战的能力。然而，在将系统思维纳入化学教育之前，必须调查采用该框架的教师的看法。因此，半结构式访谈是由约克大学化学系的14名教师进行的。使用定性（框架法）和定量（利克特风格）技术分析了反应。教师们对系统思维表达了积极的看法，因为所有参与者都表示，系统思维技术应该在一定程度上应用到本科化学课程中。将系统思维整合到课程中的预期优势包括对学生学习的益处、跨学科教学的促进、增强学生就业前景以及社会效益。研究表明，课程改革只有在导师的支持下才能取得成功，因此，来自化学各个领域的专业人士对系统思维的积极看法显示了未来实施的巨大希望。

关键词：系统思维； 化学教育； 跨学科教学

介绍

系统思维没有一个特定的定义，因为不同的应用允许对框架的实现方式进行细微的修改。在这里，系统思维被认为是“一种研究复杂现实世界系统的整体方法，其重点不是系统的单个组件，而是组件之间的动态相互关系，以及这些相互关系产生的模式和行为”（York等人，2019年）。系统思维已被应用于生物学、数学、工程、商业和行为科学等多个领域（Hammond，2002）。例如，在生物学领域，系统思维已被应用于植物发育、生长和生产的研究中，从而在这一领域取得了重大进展（Hammer等人，2004年）。

教育中的系统思维

近年来，系统思维方法也被应用于教育环境中，研究表明系统思维在教学中的潜在好处。这些好处的例子包括加强对课程内容的理解和跨学科技能的发展。这在一项研究中已经证明，在研究土地经济教育中，学生在学习中获得了提高考试成绩的系统思维实施结果，包括多学科的因素（Mathews和Jones，2008）。

教育系统思维是以学生为中心的教学方法，使学生能够了解组成子系统的重要性以及它们如何连接到整个系统（Kordova等人，2018）。该框架可用于帮助学生理解和解决现实世界问题（Richmond，1993；Jacobson，2001）。当将系统思维经验与没有系统思维经验的学生进行比较时，系统思维经验的学生展示了提高的问题解决技能，因为他们能够考虑更广泛的因素并更有效地组织他们的反应（Jacobson，2001）。还有人认为，这种方法有利于教员，因为它使他们有一个结构和各种技术，以协助将跨学科内容和其他考虑纳入其课程（Sabeli，2006；Mathews和Jones，2008）。

研究表明，人类不是先天系统思想家（Hmelo等人，2000；Jacobson，2001；Jordan等人，2013）。然而，如果明确教导学生如何这样做，系统思维技能就可以获得（Wylie等人，1998；Hmelo等人，2000；Goldstone和Wilensky，2008）。系统思维技能教学方法包括设计活动（Hmelo等人，2000）、计算机模拟（Riess和MISO，2010）和系统建模（Hung，2008）。例如，在生物教育中，学生被要求设计和建立部分肺工作模型。在这项活动中，鼓励学生考虑模型如何结合、模型部分变化的后果以及模型完成后的功能等因素（Hmelo等人，2000年）。同时，还构建了各种可视化的图形工具，以帮助系统思维技术的实施，使之融入教学。面向系统的概念图扩展（SOCMEs）、因果循环图和库存和流程图是此类工具的一些示例，每个工具都具有各自的优势和应用（Aubrecht等人，2019）。苏格拉底与概念图具有相似的特性，但是，在SOCME中，子系统和它们之间的所有连接都被明确地识别出来。这允许考虑由于用户可以看到哪些子系统链接而对任何子系统的更改所产生的任何后果（Matlin，2020）。这些和其他系统思维工具的应用最近才应用于科学、技术、工程和数学（STEM）领域，在过去十年左右，STEM教育中系统思维的研究势头日益增强（约克等人，2019年）。

截至2018年，美国国家科学基金会为27个项目提供赠款，重点关注STEM教育中的系统思维，金额大约2580万美元（Nsf.gov，2019年）。此类项目的注意力往往集中在学生获得系统思维技能的能力以及最适合实现这一点的方法上，很少或根本没有考虑培训教师如何在教学中使用系统思维方法。此外，大多数受资助的项目都集中在工程或环境科学领域，没有对数学或任何物理科学的资助，包括具有分子、原子或亚原子行为的学科。项目的例子包括评估工科学生的系统思维能力，评估概念图在工科学生中帮助系统思维的可行性，以及调查互动模拟游戏是否有助于提高地学学生的系统思维能力（Nsf.gov，2019）。

化学教育中的系统思维

系统思维目前未在任何程度上纳入化学教育（Ho，2019），常规方法被描述为还原论（Orgill等人，2019）。化学教育研究界声称，这些方法应该更新，并将大学本科化学课程描述为“通过许多无关主题的脱节小步”（Cooper，2010）。为了加强化学课程，最近人们对将系统思维技术纳入化学教育的结果产生了浓厚的兴趣。将系统思维融入化学教育将意味着不再以孤立的方式研究反应和过程，相反，鼓励学员批判性地思考诸如任何起始材料的来源等因素，他们是如何被改造和使用的，以及在生命的尽头发生了什么。将协助学员分析化学物质的益处和影响，以及它们在社会和环境系统中的作用（Constable，2017）。支持将系统思维引入化学教育，来自国际纯应用化学联盟（IUPAC），通过2017年化学教育系统思维（STICE）项目的发展（IUPAC，2017）。该项目的成果包括《化学教育杂志》（Mahaffy等人，2018）的一期特别出版物，以及在化学教育背景下开发系统思维框架（Flynn等人，2019）。本专题从几个方面探讨了将系统思维纳入化学教育的几个视角。这些包括：全面介绍（Orgill等人，2019年）、将系统思维实施到化学教育中的挑战和机遇（Constable等人，2019；Pazicni和Flynn，2019年），如何将其用于绿色化学（Hutchison，2019；Ginzburg等人，2019；Perosa等人，2019年），以及未来发展设想/研究（Flynn等人，2019年）。有人建议，将系统思维纳入课程不仅有助于化学学生更好地理解化学，但这也将有助于他们了解化学与其他学科之间的联系，并使绿色和可持续化学概念更大程度地融入主流化学课程（Holme，2019；Hutchison，2019；Mahaffy等人，2019a；2019b；2019c）。

迄今为止，将系统思维方法引入化学教育的建议方法一般都是通过绿色化学的视角来实现的。例如实验、讲习班和游戏（Hurst，2020）。例如，系统思维技术被用于寻找替代在英国流变实验和演示中使用的毒性问题材料（Hurst等人，2015；Garrett等人，2017）。在巴西进行这种试验时，由于废橙皮在填埋场的处理是一个具有国家重要性的问题，因此选择废橘皮作为替代原料。因此，除了作为学习资源外，实验还有助于减少处理这类“废物”的问题，主张从线性经济向循环经济过渡（Mackenzie等人，2019年）。这表明，该实验是可访问的和可转移的，同时说明了系统思维如何被用来帮助解决全球问题。

在实验室之外，讲习班已被开发成另一个将系统思维应用于绿色化学教育的潜在途径。纽约大学绿色化学卓越中心于2016年设立了可再生化学研究生培训方案，系统思维方法已被用于每年一系列主题研讨会，讨论化学工业可持续制造。每一个讲习班都侧重于绿色化学可持续制造的不同方面，利用现实世界案例研究，并由化学公司和各种大学部门的工作人员讲授，以深入和全面地了解讨论的主题（Summeton等人，2019年）。利用系统思维技能的游戏也被用于绿色化学教育。一个例子是“安全的化学设计”，一个模拟游戏，玩家在游戏中被赋予开发更安全和更可持续的化学产品的任务，考虑到毒性、生物降解性、生物转化和整体性能等各种因素，能够重新设计和改进其产品图库存和流程图，显示人口与可能的聚苯乙烯处理方法之间的联系。

其他示例包括移动应用程序游戏《绿色大亨》（Lees等人，2020）和卡片游戏《绿色机器》（Miller等人，2019）。这些技术和其他技术已在国际上成功地应用于将系统思维纳入绿色和可持续化学方案、课程和资源中的成功努力（Hurst等人，2019年）。正如概述的，绿色化学为将系统思维融入化学教育提供了一个有用的环境。系统思维也被应用于相关领域，如药学教育（Hurst和Clark，2020）。通过使用系统思维方法研究药物的化学和生命周期，例如通过生产具有重要药学意义的药物SOCME，显示其化学、副作用、生产和生命结束等多种子系统，可以证明化学与药学之间的联系（Holme，2020）。然而，在整个课程中仍然存在广泛采用的问题，因为其他化学领域尚未对系统思维的实施进行调查。要想实现这一点，需要化学教师的兴趣和意愿。

履行

研究表明，以前改革科学教育的尝试失败，因为他们实行了自上而下的变革模式，而且在本质上不是系统性的（Fullan和Miles，1992；Anderson和Mitchner，1994；Bybee和DeBoer，1994）。失败尝试中产生的共同主题包括政治（Fullan和Miles，1992）、课程改革缺乏明确性、缺乏支持（Handal和Herrington，2003）、缺乏资金（Foot等人，2016）、时间不足（Dancy和Henderson，2010年），STEM教员的态度与当前改革方法之间的差异（Erdmann等人，2020年）。系统思维技术涉及到在改革过程中的不同职位的学生和教员的协作和包容，已经证明取得了一些成功（Dicks等人，2019；Hutchison，2019）。此外，例如，化学教育，也可以帮助改革尝试，因为它们可以提供所需的信息、培训和资源，并可以通过观察文献中的益处来推动这些变化。还建议，只有考虑到教员的意见和态度，教育方面的任何改变才会成功（Trigwell等人，1994；Ahmad，2008；Burmeister等人，2013；Erdmann等人，2020）。因此，在尝试将系统思维纳入普通化学课程之前，最好征求化学教师在这方面的认识和看法。开展了调查高中教师对实施课程体系思维的意见的研究，将意大利教育系统的化学教员与国际学士（IB）组织（Celstino和Marchetti，2020）教授的化学教员进行了比较。在IB中，系统思维已经得到培养，因为鼓励学生“批判性地思考”和“考虑他们工作的本地和全球背景”（国际学士，2019年），这两个课程取得了巨大成功。另一方面，意大利教育体系被很分割为各自的学科，意大利学生在国际学生能力评估中获得了科学知识得分较低的分数（经合组织，2018年）。教师们被提供了一份问卷，以确定他们对系统思维的看法、他们是否使用它以及他们对潜在实施的看法。尽管两组参与者在背景上存在差异，但关于参与者描述和解释系统思维特征的能力及其在教学实践中的应用的回答大体上是积极的（Celstino和Marchetti，2020）。这两组教师的积极反馈显示了系统思维实现的希望。然而，由于这项研究仅针对11-19岁的教师，因此不能将其推广到高等教育中的教师教学中。本研究旨在探讨大学生化学课程中系统思维的潜在实施态度，以期对本科化学教师的看法进行调查。

研究方法

取样

对参与者进行抽样调查的目的是在其职业生涯的不同阶段从不同化学领域的工作人员那里获得见解，从而获得更广泛的范围和范围的回应（Kuzel，1992年；Aring;kerlind，2004年）。在约克大学化学系的所有讲师都邀请了一位教师，邀请员工参加面试。受访者具有0至39年的教学经验，代表了不同领域的专业知识和学术职位。参与者的人口统计信息如表1所示。14名工作人员参加了采访。这项研究得到了机构审查委员会的伦理批准，并在进行访谈之前获得了每位参与者的知情口头同意。

采访

通过Zoom（Zoom Video，2018）进行了一系列简短的半结构化访谈，以深入了解教师对系统思维的看法，以及他们是否认为应该将其纳入本科化学教学。会议持续了16到50分钟，并使用Zoom内的软件进行了逐字记录和转录。采访协议见附录。每次采访由三个部分组成。第一部分包含与参与者个人信息有关的问题，例如所教授的主题以及他们有多少年的教学经验。第二部分运用定性问题获得了详细的理解论文《化学教育研究与实践开放获取文章》。发表于2021年6月14日。下载时间：2022年4月3日上午5:10:08。本文是根据知识共享署名3.0未经授权的许可证授权的。这篇文章发表在《皇家化学会2021化学杂志》上。Educ。普拉特女士。，2021, 22, 855到865的受访者对系统思维的看法/看法。在本节开始时，参与者被问及他们是否能够提供系统思维的定义，然后，不管他们的回答如何，他们都被提供了一个标准定义，并展示了一个说明聚苯乙烯生产的SOCME（如电子ESIdagger;）。这使得进一步的回答更加有效，因为参与者都至少对系统思维有了基本的理解，并举例说明了如何将其应用于化学教育。最后，第三部分包含定量问题，要求参与者对一系列陈述从1到5（强烈不同意到强烈同意）进行评分（Boon

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