理论教育 系统思考工具在高中教育中的应用

系统思考工具在高中教育中的应用

时间:2023-05-29 理论教育 版权反馈
【摘要】:系统思考工具的应用,并不限于数学课和科学课。学生们可以改变模型中的变量,快速了解一个系统中各种因素如何相互作用。采用现有的模拟模型,去了解一个具体系统的动态关系,很有益处。一旦他们了解到模型是如何建立的,运行过蒂姆·乔伊的《蝇王》的模拟程序的那些高中生,就开始对这个程序提出种种质疑。并非所有的教师在自己的课程计划中都会走到建立模型的阶段。

系统思考工具在高中教育中的应用

系统思考工具的应用,并不限于数学课和科学课。在十年级的英语课上,阅读威廉·戈尔丁(William Golding)的著作《蝇王》(Lord of the Files)的学生们分成小组,绘制出了书中不同人物的权力水平如何随着每一章中事件的展开而发生变化。他们互相比较各自的成果,投入深层问题的讨论之中。由于每一个小组绘制的图表是不同的,因此他们的起点一定是对“现实”特征的一组不同假设。

“我读了一些有关‘行为—时间图’的资料,”学生们的老师蒂姆·乔伊(Tim Joy)说,“但是否能在课堂上运用,我完全没有概念。学生们的任务,是要跟着整本书追踪各个人物的脉络。他们在家里完成作业,等到他们第二天来到课堂的时候,我几乎没有办法完成课前点名。他们互相展示自己的图表,他们之间的辩论也就此展开。即便是在优等班上最好的情况下,我们也从未见过这样的热烈讨论。我要求他们集中到一起,绘制出代表他们共同观点的图表。结果让人喜出望外,因为在由此而额外增加的作业中,他们选择了一个没有达成一致意见的图表,并用一篇短文陈述了各自的观点。当我看到了学生的反应——他们的参与程度、思考和讨论的程度,我就知道这是一个我一直会运用下去的工具。”

随着蒂姆的课继续进行,他就延展到了存量—流量图,最终发展到他自己建立了一个计算机模拟模型,其中包括定义每一种相互关系的各种公式。学生们可以改变模型中的变量,快速了解一个系统中各种因素如何相互作用。

采用现有的模拟模型,去了解一个具体系统的动态关系,很有益处。模拟程序可以让学生们进行“如果……怎样……”的操作——尝试各种不同的可能情境,对比不同结果,从而形成对系统整体的更强认识。有许多模拟程序小学生就可以掌握。猛犸象游戏的模型显示出当出生率死亡率发生变化时,将会发生什么;或者可以显示出当猎人加入这个场景的时候,会产生什么结果。而掷骰子的“棋子游戏”要花许多天时间才能够展示出来的“几轮”结果,用一台计算机几分钟就可以完成了。

在课堂上应用计算机模拟,需要进行大量的课堂讨论。在每一“轮”模拟运行之前,要求学生预测出在他们改变自己的输入变量时,图表会如何变化,这非常关键。否则,他们就只是在玩一个计算机游戏,没有综合分析,也没有理解和认识。以图表的形式将实际结果与他们的预期进行对比,可以引发出各种有关系统运行为什么与大家先前的预测不同的问题,还可以引发一些更深入的问题。每一个图表都可以讲一个故事。为什么猛犸象不能生存下去?当时是否有足够的食物?是不是猎人的数量增长得过快?

年轻人很快就会喜欢上操作计算机模拟程序,其速度可能会让成年人感到吃惊。由于老师可能还没有习惯在课堂上使用计算机,他们可能会犯花太多时间进行解释的错误。做一个简短的说明,接下来花15~20分钟让学生们自己进行实验,通常情况下就足够了。孩子们已经习惯于视频与计算机游戏,他们恐怕想马上上手试一试这个模型的极限——想要“战胜”或者“摆平”这台计算机。基本上不会有人对运行或者操作模拟程序感到胆怯,其中许多学生还可能想直接从模拟进入到建立自己的模型的阶段。

一旦他们了解到模型是如何建立的,运行过蒂姆·乔伊的《蝇王》的模拟程序的那些高中生,就开始对这个程序提出种种质疑。这个程序不允许他们增加他们在小说中看到的一些关系,其中一些人把模型拿回家,自己进行修改。(www.daowen.com)

蒂姆告诉我们:“他们增加了一些存量,然后就发现流量有问题,但也就是在这个时候我发现,即便是一个不太好的模型,也比某些传统的教学工具要好。计算机模型要求他们清楚地表达出自己的思维过程,要求他们清楚地表达出他们提出的问题。”

并非所有的教师在自己的课程计划中都会走到建立模型的阶段。了解和熟悉软件,需要时间,一些学区计算机资源也有限。然而,对于那些把建立模型作为课程要求的教师来说,当他们看到孩子们由此做出的成果,并从中获得兴奋和满足,就足以补偿他们学习建立模型的辛苦付出了。

我们有理由相信努力学习模型,并把它教给孩子,将以意想不到的方式回报。玛莎·莱恩斯(Martha Lynes)是马萨诸塞州诺斯汉普顿的一名退休物理教师,几年前,她开发了一门课程,学生们在这门课上用汽水瓶罐做出了各种各样的火箭。学生们首先初步了解了行为—时间图和存量—流量图,其后初步建立模型的内容。当然,最令人激动的部分,还是建造火箭,并且在学校附近的一片空场上发射的时候。学生们用视频记录了火箭飞行过程,其后他们又用塑料膜盖住录像机的屏幕,画出火箭的飞行路线。学生们组成小组开发模型,用于解释各自火箭的飞行路径,并且在全班同学面前做出说明。

一名参加了她的第一次课的学生毕业后从斯坦福大学给玛莎写信说,他正在上一门物理课,班上许多来自名校的学生都已经在基于微积分的物理方面,花了几年时间了。但是他发现,这些人与他不同,他们缺乏对于那些概念的真正理解,所以考试成绩就不如他好。

几年之后,他又给玛莎写了一封信,这一次他是在一家汽车研究机构做实习生的时候写的。这时他正在开发一个气囊用的真正的计算机模型。他说,这让他想起了那些水火箭的模型。他再次对她的物理课表示了感谢——这些课“遥遥领先于其他高中课程许多年”。从他的信中可以清楚地看到,如果有足够的学生参与了类似的训练,我们就可以期望技术不仅可以愈加先进,而且还会在多元化和人性化方面,更为丰富。

在俄勒冈州波特兰举办的一次学生项目展示会上,一个学习过一些司法科学知识的高年级团队,对于法医确定一具尸体死亡时间的过程产生了兴趣。他们找到了一位法医进行访谈,这位法医还把自己一些原创论文借给了他们。学生们选择了三个可以给出死亡时间线索的变量:环境温度、体重以及衣服的状态,是干的还是湿的,或者是不见了。他们在把前两个变量进行模型化的时候,没有费多少工夫,但是衣服状态的描述却是个问题。他们如何才能在一个公式中表示所有变量呢?学生们在三个牛奶瓶中灌满98℃的水,然后把一块湿毛巾包在一个瓶子周围,另一个不包毛巾,第三个则包上干毛巾。他们用了几个小时的时间,每过15分钟测量一下每个瓶中的水温,了解了那条变化曲线。

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