《RSC Sustainability》：Greener chemistry for a sustainable future: an interdisciplinary course based on systems thinking
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为解决传统化学教育难以培养解决复杂可持续性问题能力之局限，研究人员开展了一项关于绿色化学跨学科课程的重构研究。该研究将系统思维、联合国可持续发展目标与人工智能等工具融入课程，通过项目式学习使学生能综合应用知识解决现实挑战。评估表明，该课程显著提升了学生的系统思维、批判性思考及社区问题解决能力，为培养下一代具备可持续素养的科学家提供了有效模型。
在环境退化、资源耗竭和气候变化问题日益严峻的今天，化学领域正站在一个十字路口。传统的化学教育往往聚焦于分子结构和反应机理，却可能忽略了化学过程与广阔世界的复杂联系——从原材料的开采、生产过程中的能耗与废物，到产品使用后的最终归宿。可持续性，这个关乎人类未来的宏大议题，要求未来的科学家不仅精通专业知识，更要具备一种“系统思维”，能够看清技术、环境、经济和社会政策之间的千丝万缕。然而，如何将这种宏大的愿景融入大学的化学课堂，将绿色化学的十二条原则从书本知识转化为解决真实世界问题的能力，成为化学教育者面临的一大挑战。
正是在此背景下，华盛顿学院的一项教学研究应运而生，其成果以论文形式发表在《RSC Sustainability》上。这项研究并非关于发现某个新分子或新反应，而是关乎如何“重塑”化学教育本身。研究人员意识到，要让学生真正为应对21世纪的可持续性挑战做好准备，必须打破学科壁垒，构建一个全新的课程框架。于是，一门名为“面向可持续未来的绿色化学”的选修课经历了一场从内到外的变革，从传统的讲座模式进化为一个基于系统思维的跨学科项目式学习模型。这门课程的核心目标，是培养学生像系统工程师一样思考化学问题，将绿色化学原则与人工智能工具、联合国可持续发展目标以及本地社区的实际需求连接起来，最终让他们能够设计出具有可操作性的解决方案。
为开展这项教学研究，作者主要运用了课程设计与教学实践这一核心方法，具体构建了包含五个主题单元的渐进式课程结构。课程整合了多种教学与评估技术，包括：基于系统的概念图延伸可视化工具，用于帮助学生绘制复杂系统的相互关联；案例研究设计，让学生对比传统与绿色消费品；人工智能文献综述与展示，引导学生探讨AI如何助力可持续化学；网站设计与信息图制作，用于展示绿色化学与特定联合国可持续发展目标的联系；以及社区挑战提案与路演，要求学生团队为校园或本地实际环境问题提出基于化学的解决方案并公开演讲。课程评估采用了混合定量与定性分析相结合的方法，通过标准化的评分量规和对学生作品（如概念图、提案、网站）的深入分析来衡量学习成效。
课程概述与学习目标
课程被设计为五个主题单元，逐步构建学生的知识与技能体系。第一单元引导学生理解绿色化学原则，并通过设计对比传统与更环保日用品的案例研究，将理论与日常生活相连。第二单元引入系统思维，学生使用SOCME工具，以“从摇篮到摇篮”的视角分析一种化学元素（如钛、铜）的完整生命周期，绘制包含环境、经济、健康和社会影响的系统导向概念图，从而从还原论思维转向整体性系统思考。第三单元探讨人工智能与机器学习在可持续化学中的作用，学生通过文献调研和小组展示，分析AI在诸如塑料降解、农药残留检测等具体领域的应用，并批判性地讨论其伦理影响，如算法偏见和透明度。第四单元将可持续化学与全球框架对接，学生需选择一个联合国可持续发展目标，并设计一个网站，阐述绿色化学如何通过具体应用（如气候智能农业、可食用食品包装）助力该目标的实现，从而建立本地行动与全球议程的联系。第五单元是课程的高潮，学生团队需要为校园或当地社区（如马里兰州切斯特顿）识别一个具体的、非环境友好的过程或产品，运用之前所学的系统思维和绿色化学原则，撰写一份详细的提案、设计信息图，并进行一场商业路演风格的口头报告，提出化学驱动的创新解决方案，例如使用生物基材料替代传统沥青、或利用校园风力发电。
评估与反思
对课程效果的评估揭示了积极的教学成果。定量指标显示，学生在系统思维（SOCME作业中反馈回路识别能力从62%提升至81%）、沟通技能（单元3和5展示平均分达90%）及跨学科整合（92%的学生成功将至少三条绿色化学原则与特定联合国可持续发展目标关联）方面均有显著进步。对学生作品的定性分析进一步证实了深度学习的发生：早期的SOCME地图是线性的，而后期地图则包含了反馈循环和社会影响；学生对AI的讨论超越了“黑箱”理解，深入到伦理层面；最终的社区提案（如为改善水质而提出的除草剂光解降解方案）展现了基于文献的、具有创造性和可行性的化学解决方案。与此前课程版本的比较表明，新的项目式模型带来了更高的课堂参与度，并且有20%的修课学生在毕业后选择了与可持续性相关的研究生学习或职业，校友反馈也证实课程所培养的系统思维技能在其工作中直接适用。
结论
这项研究得出结论，通过将绿色化学、系统思维、联合国可持续发展目标和人工智能等工具整合进一个以项目为驱动的跨学科课程框架中，能够有效培养学生成为具备系统思维、批判性思考和社区参与能力的下一代科学家。该课程模式成功地将化学知识从孤立的理论转化为解决复杂现实问题的综合能力，不仅提升了学生的可持续性素养，也为化学教育者如何设计更具社会相关性和变革性的课程提供了可复制的模型。其重要意义在于，它展示了一种超越传统学科边界、培养负责任创新者的教育路径，这正是应对当前全球可持续性挑战所亟需的。
