Complex Systems and Educational Change: by yu-tai
Towards a new research agenda
複雜系統與教育變革：邁向一個新的研究議程
摘要
我們要如何有效地運用來自其他複雜動力系統(Complex dynamical system)研究的概念和程序來分析教育的系統改變？在本文中，我們開始定義進行這個計畫可能的研究框架、說明了界定這種框架的合理性並針對這個框架和系統性實驗的數據之間的關係提出問題。我們的討論的關鍵議題包括:
(1) 定義系統 (Defining the System)
(2) 結構分析 (Structural Analysis)
(3) 子系統和層級之間的關係 (Relationships Among Subsystems and Levels)
(4) 驅動因子的變化 (Drivers for Change)
(5) 建模方法 (Modeling Methods)
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1. 學習教育變革的複雜性 (Studying the Complexity of Educational Change)
我們要如何有效地運用來自其他複雜動力系統(Complex dynamical system)研究的概念和程序來分析教育的系統改變？ 40位科學和教育研究人員1999年在美國國家科學基金會和新英格蘭複雜系統研究所(NECSI)贊助下，開始思考複雜系統科學(complex systems science)未來在K - 16課程(K-16 curriculum)所扮演的角色。很明顯地，課程改革過程本身就構成了一項挑戰。參與此項研究的學者希望複雜系統理論能夠提供課程變化過程更進一步的見解以及系統性的教育改革。為了研究這個問題，學者成立研究小組並提出了一個初步報告。本文就一些有關複雜理論方法應用在教育領域上之重要概念及研究提出進一步的討論。
複雜系統分析(complex system analysis)這項新工具可以幫助我們了解新技術教育系統之潛在影響及幫助我們預測不同系統改革的路徑。但該項分析可以幫助我們設計一套符合新世紀公民的新教育系統嗎?亦或是我們可以找到方法，使該工具有足夠價值吸引眾多學生和 老師使用嗎?
2. 建構概念性框架(Developing a Conceptual Framework)
本篇文章的目的並不是將教育視為一個複雜系統並提出一個完整的概念性架構，我們的目的在於著手透過這種概念性框架為未來的研究定義可能的議程。為此，我們將試圖說明界定這樣一個框架的合理性，並針對框架和系統實驗的關鍵數據的相關性提出問題。接下來我們會針對下述框架的核心議題進行討論，包括界定系統(Defining the System)、結構分析 (Structural Analysis)、子系統和層級之間的關係 (Relationships Among Subsystems and Levels)、驅動因子的變化 (Drivers for Change)、建模方法 (Modeling Methods)
界定系統(Defining the System)
美國的K -16教育系統是提供學生從幼兒園到大學畢業的正規教育系統。為了研究的目的，我們必須界定系統的特性，像是機構和社會習俗及資訊和物質的來源是否相互依存並包含在系統內？什麼樣的關鍵過程的時間特性(timescales characteristics)範圍能維持這個系統？什麼是組織的重要層級？信息是如何轉化，過濾，重組到下一個更高的水平?
如果我們考慮到經驗時間規模最長(longest timescales)的學生，我們需要考慮將系統的定義擴大至學前教育，研究生研究及成人教育。如果我們檢視所有有助於學生理解特定主題的正式課程的來源機構，我們必須將非正規教育機構，如科技館，信息來源和學習網站所提供的大眾媒體，印刷出版，和交互式通信技術囊括在系統內。如果我們考慮到資源約束和決策機構，我們將納入學校董事會和國家的教育當局至系統內。
結構分析 (Structural Analysis)
正式的組織層級(Formal organizational hierarchies)定義教育系統內的層級如下，學生和 老師、小團體、教室、系所、學校、區、州、聯邦機構及整體系統。如果我們使用動態過程(dynamical processes)及發展初期不同時間規模(timescale)的現象來分析系統，分析的單位是什麼？課程的程序如何隨著課堂活動的改變而改變?課堂中網絡社會的互動如何有助於長期認同發展、態度及價值觀的形成？當地社群不斷變化的優先順位、人口及問題如何影響教育系統的議程和方案？
子系統和層級之間的關係 (Relationships Among Subsystems and Levels)
任何一個層級或子系統都是我們關注的重點所在，有鑑於此，我們可以根據複雜系統理論的觀點提出一系列關鍵問題:
Ø 那一個更高組織層級可以決定焦點層級(focal level)的發展變化限制(constraints on the dynamics)?子系統如何受這些限制影響而發展變化成更高層級？
Ø 那些系統行為的特色是確定的，那些不是?
Ø 在固定的組織層級下，不同的單位及過程如何結合?
Ø 什麼是系統，什麼是環境？從較大規模的單位和過程觀點才看，系統和環境如何形成supersystem?
驅動因子的變化 (Drivers for Change)
教育系統如何作為外部事件和壓力的驅動因子? (外部事件/壓力如科學的進步，社會日益複雜的問題) 教育改革如何受到資源限制、標準化的課程的制約? 教育過程如何被新的反饋迴路(feedback loops)所影響? 新的教育機構如何在教育生態中為他們自己創造利基?
建模方法 (Modeling Methods)
我們該如何使用生態系統理論(ecosystem theory)、適性管理(adaptive management)、發展生物學(developmental biology)、反應擴散化學(reaction-diffusion chemistry)、非平衡統計力學(non-equilibrium statistical mechanics) ，非線性動力學系統(nonlinear dynamical system)等概念及工具進行分析和建立模型?
舉例來說，今天我們能不能設計一個”SimSchool”或”SimDistrict”;或學校/學區模擬計畫？不只是建構現有的系統，而是讓我們能去創造替代系統，並研究其隨時間的演變過程、需求和問題，及其可能的發展。
在這項計畫中，我們不只需要量化的資料，像是學校預算、師資和學生的考試成績，我們還需要知道相較於靜態的統計分析，從複雜的動態系統模型而來的價值增量多寡。動態的模擬系統可以看出變數間交互作用的數量變化，使我們更容易觀察潛在的效果。複雜系統模型(Complex systems models)是專為模擬變化和動態所設計的，特別是質的變化(Qualitative change)，像是新社會網絡的出現、改變日常事務或喜好。要建立有效的教育機構動能模型，我們不僅需要知道人做什麼(what people do)，以及為什麼他們要這麼做。即使這樣的系統模型不能預測未來，但他們仍可以用來界定可能的替代方案、潛在的問題，和整體質性的變化過程。
3. 從真實案例建立模式(Lesson for Modeling from Real Cases)
Balcones Spring 會議報告彙總了從四項重要教育改革計畫得到的結果，這樣的結果成為落實多樣相關性的課程和全面系統改革特殊性和多樣性的實例。根據這些計畫結果，我們知道針對當地環境採納相對應的系統改革模型遠比不考慮環境變數而複製成功案例來的重要。以下是有關前述計畫中設計系統模型所獲得的相關經驗分享:
時間及結構(Timescales and Stepwise Structure)
計畫結果發現，在大多數情況下，建立有效的合作和學校系統需要很長的時間，大約為5-10年，每當有領導角色或工作人員對任何一方的合作夥伴關係有重大變化時，可能就需要重新談判並重新承諾彼此的目標和共同開發策略。有效的夥伴關係的發展需要5-10年，改革的成果往往在3-5年才看得見，模型產生有效的改變至少需要10年。
計畫結果發現，在大多數情況下，建立有效的合作和學校系統需要很長的時間，大約為5-10年，每當有領導角色或工作人員對任何一方的合作夥伴關係有重大變化時，可能就需要重新談判並重新承諾彼此的目標和共同開發策略。有效的夥伴關係的發展需要5-10年，改革的成果往往在3-5年才看得見，模型產生有效的改變至少需要10年。
持續發展性及規模(Sustainability and Scaling)
改革通常局部發生，然後開始向外擴展，單位同級組織的擴展（老師、一整個年級至整個學校）及由小規模的系統擴展至更大規模的系統（郊區至大城鎮體系或整個國家）。隨著改革的規模，也不能保證會就其基本原則和目標保持有效性。為維持其有效性，一些自我調節回饋系統必須存在，定期進行評估及維護。
持續發展性的角色Role of Sustainability
根據各項計畫而來的經驗，重要性多指向教育改變的多尺度模型工具(multi-scale modeling techniques)，特別是多尺度模型(multiple timescale models)（Lemke, 2000a , 2000b）。當我們考慮到許多教育實務的重要結構性特徵（例如：學生與教師的比例，教科書使用，年齡分級，地方稅收資金，課程領域，教師培訓機構）經過很長一段時間已達到平穩狀態，我們可以推斷，背後有強大的系統監管的關係在維持這種穩定性。我們可以利用複雜系統模型來幫助我們理解為什麼長時間以來教育體制都不改變，以及在什麼條件下它們會改變。當前的許多改革政策假設為達到改革目標不需要重大的結構性轉變，在現實模型的基礎上，透過個案研究改革努力，以及對一般的系統建模原則，可以幫助我們理解如果這種假設是否合乎實際。如果更積極重新設計教育系統是必要的，我們就更需要了解當前的結構性特徵所扮演的角色和相互依存的關係。
4. 結論 Conclusion
複雜系統的思想概念反映了我們的世界看法的變化。通過建立模型的相互依存關係，這一觀點既強調了可預測性的限制以及採取的行動後的間接後果(包括正反兩方面)。複雜系統的研究涉及到系統實驗，計算和理論方法觀察、分析、建立模型和動態模擬。
這些概念中的應用的計算模型模擬方式產生了前所未有的理解複雜的現象，這種理解導出一些新穎的並很基本的問題，使我們可以用一種新的角度觀看評估教育系統。
教育系統是一個最複雜和具有挑戰性的系統研究，儘管我們知道教學策略和改革的措施，我們目前仍缺乏必要的建模能力幫助決策者探討潛在影響干預。的確，在這個角度來看，沒有獨立的干預措施：在課堂上提出修改所產生的影響程度在學校和區級（例如：教師發展，父母期望，學校資源等）需要通過相關的干預措施在多個層面予以支持。目前，最重要的也許是改變我們思維模式中的教育，在多層次組織中建構具體及局部的關連性，遠離單一化的干預和簡單化的解決方法，對整個系統的協調性改變有所體悟。
