本科生在利用因果循环图模拟全球变暖时应用和迁移系统思维技能的能力：一项探索性研究

《Thinking Skills and Creativity》：Undergraduates’ ability to apply and transfer systems thinking skills when modelling global warming via causal loop diagrams: An exploratory study

　　

Bellam Sreenivasulu|R. Subramaniam

新加坡国立大学住宅学院4，6 College Avenue East，新加坡，138614

摘要

本研究探讨了本科生在完成关于能源系统的系统思维（ST）课程后，能够在多大程度上将这一思维方式应用到全球变暖的情景模拟中。该情景与他们在课程中遇到的情景不同，我们关注的是他们是否能够将所学知识迁移到不同的情境中。研究采用了因果循环图（CLD）这一在教育研究文献中较少使用的图表工具。所构建的情景跨越了自然科学领域。因果循环图是使用Vensim PLE建模软件制作的，该软件可在网络上免费获取。共有三组各44名来自STEM和非STEM学科的学生参与了这项研究。研究人员使用分层评估标准对这些学生的因果循环图进行了评估，评估内容包括关键变量的识别、因果关系、反馈循环以及层级极性等。研究发现，学生在不同情境中应用系统思维的能力可以被分为五个不同的水平。总体而言，75%的样本表现出非常高的迁移能力。本研究从两个方面为相关研究做出了贡献：(a)探索了多学科学生在科学现象方面运用系统思维的能力；(b)基于他们将系统思维迁移到不同情境的能力对其技能进行了评估。

段落摘录

引言与文献背景

思维是一个多方面的概念，可以涵盖多个方面——例如设计思维、创造性思维、批判性思维以及系统思维（ST）。本研究重点关注系统思维。系统思维是一种高阶认知技能，涉及识别系统中的要素/组成部分，以及理解这些组成部分相互依赖所产生的动态行为（Meadows, 2008; Arnold and Wade 2017）。下一代科学标准（NGSS）对此有明确要求……

理论框架

我们的研究基于三个理论框架。第一个框架就是系统思维本身。它为通过因果循环图（CLD）对反馈循环和动态复杂性进行建模提供了概念基础。Meadows（2008）强调了理解系统结构、反馈机制和关键节点的重要性，而Richmond（1994, 2000）则介绍了系统思维者的习惯，如闭环因果关系和动态推理。这些框架帮助学生从线性思维转向闭环思维，使他们能够……

Hmelo-Silver和Azevedo（2006）的基础研究表明，系统思维涉及识别组成部分、理解因果机制以及协调多种解释层次等过程。他们认为，这些能力在静态表示中往往是不完整或不可靠的，只有当学习者积极参与建模、修订和解释系统行为时才会变得明显。这种以过程为导向的视角表明……

44名学生制作的因果循环图可以被分为五个不同水平的系统思维能力（见表格2）。结果显示，75%的学生表现出较高（30名学生，占68.18%）或非常高（3名学生，占6.82%）的系统思维能力，表明他们在识别因果关系、识别反馈循环和理解动态复杂性方面做得很好。另有8名学生（占18.18%）的系统思维能力处于中等水平，表明他们对这些内容的掌握程度一般……

本研究基于以往的研究和不断发展的教育理论，强调系统思维是理解和解决复杂现实世界问题的关键能力。与以往的研究结果一致，本研究发现系统思维使学生能够发展多维视角，整合反馈机制，并超越线性的因果关系进行推理。同时，早期研究也一直指出学生在运用系统思维时面临诸多挑战……

本研究的结果强调了在高等教育中明确培养系统思维作为核心能力的重要性，特别是对于应对气候变化、能源转型和可持续性等复杂全球性挑战而言。这些挑战本质上是系统性的，涉及动态互动、反馈过程和跨学科的相互依赖性，无法通过线性或简化性的思维方式来充分解决。培养学生的系统思维建模能力对于应对这些挑战至关重要……

本研究存在一些局限性。首先，为全球变暖构建的情景并不全面，因为需要在探索现象的复杂性与学生参与研究的时间之间找到平衡。为了解决这一问题，我们再次提醒学生可以运用他们对该情景的广泛知识来丰富他们的系统思维建模，但实际上没有学生这样做。这可能会限制因果循环图的深度和多样性……

本研究通过将因果循环图不仅仅视为教学工具，而是作为分析性强的重要工具，有效地评估了学生可迁移的系统思维能力。通过让多学科的本科生参与基于全球变暖的情景建模任务，本研究考察了学生能否将他们在能源系统这一情境中学到的系统思维原理应用到另一个概念相关的领域——全球变暖中。

Bellam Sreenivasulu：负责撰写、审稿与编辑、原始草稿的编写、资源整理、方法论设计、调查研究以及概念化。R. Subramaniam：负责撰写、审稿与编辑、原始草稿的编写、方法论设计以及概念化。

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

我们感谢编辑、副编辑以及两位审稿人在三轮修订过程中提供的宝贵意见和建议以及他们的耐心。基于他们的建议，手稿得到了显著改进。