化學教學中培養工程思維： 內涵、必要性及實現途徑

鄒國華　劉帥　蔡小蔓　鄧陽

摘要： 化學與生產生活聯系緊密，將化學學科知識運用于化工生產，需要運用工程思維，高中化學教學有必要培養工程思維。分析工程思維的內涵和教學中培養工程思維的必要性，探索高中階段化學教學培養工程思維的實現途徑。

關鍵詞： 工程思維; 化學教學; 思維活動

文章編號： 10056629（2020）08000305

中圖分類號： G633 8

文獻標識碼： B

化學是一門古老而有活力、有價值的學科，與社會、生產、生活聯系緊密，化學的發展是推動科技進步和現代社會文明的重要力量。人類從原子、分子水平研究物質，總結自然規律，其目的不僅是為了揭示物質世界的奧秘，也是為了能創造和生產物質，以改善人類的生活條件，保障人類的健康，推進人類文明的發展。將研究成果運用于生產生活是化學研究的最終目標，也是化學學科的價值體現。將化學學科知識運用于工業化生產，其過程包含了經濟效應的評估、工藝條件的選擇和控制、廢氣廢料的回收處理等思維活動，這些思維活動包含于工程思維中。

1? 工程思維的內涵

思維是人類所具有的高級認識活動，按照信息論的觀點，思維是對新輸入信息與腦內儲存知識經驗進行一系列復雜心智操作的過程。人類針對不同的場合、工作性質、價值追求進行思維活動時會有不同的思維方式，常見的思維方式有工程思維、科學思維和藝術思維。

從本質上看，“創造”“發現”和“想象”分別體現了工程思維、科學思維和藝術思維三種思維與現實的關系，通過工程活動“創造”出現實世界中的“人工物品”需要的思維方式屬于工程思維;“發現”科學定律、規律所需的思維方式屬于科學思維;進行藝術創作活動中需要的“想象”過程屬于藝術思維[1]。

工程思維的主體是工程師、企業家和管理者，是在工程的設計、研究和實踐中形成的思維，工程思維的核心是籌劃性地運用各種知識解決工程實踐問題[2]。Shlomo Waks等通過對工程專家的訪談分析，總結出工程思維是一種有目的性、權衡性、創造性、系統性的具體思維[3]。宋蕊通過分析前人對工程思維的研究，認為工程思維具有系統性、權衡性、籌劃性，其次工程思維還具有邏輯性、科學性與創造性等特征[4]。

美國《新一代科學教育標準》首次將科學與工程實踐的內容整合進基礎教育，明確提出了關于科學與工程實踐的表現性期望、類型、內容以及具體的學習目標[5]。隨著全球STEM教育的發展，工程思維的培養逐漸走進基礎教育階段。目前，國內外的相關研究認為基礎教育階段培養的工程思維并非專業工程領域中的工程思維，而是利用解決工程問題的方法范式來解決真實情境問題的思維方式與習慣[6]。美國國家工程科學院（NAE）認為K12工程教育應該促進學生工程思維習慣的發展，其中工程思維習慣的要求與21世紀基本能力一致，包括了系統思維、創造性思維、樂觀、合作、溝通與倫理道德等要素[7]。在基礎教育領域的相關研究中，王美茹認為工程思維是從現實出發而不是從概念出發的一套具有創造性、系統性、科學性和現實性等特點的獨特思維方式與習慣[8]。李永勝認為工程思維包括籌劃性思維、規則性思維、科學性與藝術性兼容的思維、綜合集成性思維、構建性思維、權衡性思維、差異化思維、價值性思維和過程性思維等[9];趙美嵐認為工程思維分為系統思維、運籌思維、整合思維、雙贏思維、形象思維和美感思維[10]。

可見，工程思維是系統的、復雜的思維方式，鑒于文獻研究與化學教學經驗，筆者認為中學化學教學可培養的工程思維要素包括創造性思維、系統性思維、權衡性思維、價值性思維、雙贏思維，具體涵義如表1。

創造性思維一種具有開創意義的思維活動，即開拓認識新領域、開創認識新成果的思維活動。

系統性思維抓住問題的各個方面，又不忽視其重要細節，考慮問題要從整體出發，能夠很好地處理整體與局部關系的思維活動。

權衡性思維通過合理匹配各種要素，優化選擇各種模式，調和各種不同需求，對多元價值目標（經濟、社會、政治、技術、生態、審美等）和多種利益關系進行比較的思維活動。

價值性思維以滿足社會需要、實現并創造更大的價值為目標，對不同的價值目標與錯綜復雜的利益關系進行排序、組合、配置與平衡，實現系統整合與優化的思維活動。

雙贏思維在互惠、互利、平等下相互協作、共同發展的思維。提倡溝通合作、互利互惠，包含不同個體、單位、行業間的雙贏，人與自然的雙贏。

化學工程問題常是“結構不良”或“無明確邊界”的問題，面對這類問題需要綜合運用學科知識創造性地解決問題;化學工程受到地域、氣候、資金、人力資源等限制，也受到速率、限度、原料等方面的影響，考慮問題要有全局意識，從整體出發，要預見可能的風險、危險及產品的可靠性，即要有系統性思維;如何合理匹配各要素，調和不同需求，如何平衡各種利益關系，需要有權衡性思維;化工生產目的是為社會生產出有價值的產品，同時獲得經濟效益，如何讓生產的各方價值都最大化需要有價值性思維;生產中需要與其他企業、部門溝通合作以取得共同發展，同時，工業生產服務于人類社會，應踐行綠色發展、謀求人與自然和諧發展，不能以犧牲環境為代價，需要雙贏思維。

2? 化學教學中培養工程思維的必要性

目前理工科大學生普遍存在工程意識和思維能力不足，運用理論知識解決實際問題能力差的問題，加強學生工程思維能力培養已刻不容緩[11]。工程思維培養的責任不僅在高校，基礎教育階段也應開展，化學教學中有必要培養學生的工程思維。

首先，工程思維是運用于解決復雜現實問題的思維方式，其本身具有重要性。學科知識和工程思維是指導工程生產的兩個保障，工程思維為復雜工程問題的解決提供思路和方法，也能遷移至生產、生活中復雜現實問題的解決。

其次，培養工程思維有助于促進學科內容的學習。以化工素材為載體，探索科學家和工程師的工作，厘清科學與工程之間的區別與聯系，能更深刻地理解學科與工程領域的知識與意義，從而激發學生的好奇心，吸引學生的興趣，鼓勵學生在該領域繼續學習[12]，增進對學科內容的理解。

最后，培養工程思維有助于促進學生能力的發展。工程思維的培養以工程實踐過程為框架，以科學探究為方法，以任務解決為目標，系統地、權衡地進行工程設計，逐步迭代優化方案，學生在復雜工程情景下的問題解決能力、團隊合作能力等也得到了發展[13]。

當然，培養工程思維也是為祖國培養從事化學工程方面研究人員、高級從業人員的需要;工程思維要素與化學學科核心素養蘊含的要素中有諸多重合之處，培養工程思維也是發展學科核心素養的需要。

3? 教學中培養工程思維的實現途徑

基于設計的教學模式（Learn by Design，簡稱LBD）有利于實現工程思維的培養。Han等[14]認為，LBD的實施過程中應包含的要素有： 選擇合適的工程項目;提供具體的學習素材;探究解決工程問題的策略;學生設計、實施和修正方案;交流、評價。王穎[15]、王奇偉[16]借助LBD理論建構工程思維培養的教學模型，模型包含創設情境，明確任務→搭建橋梁，建立聯系→設計實施，修改完善→交流評價，總結歸納四個環節，學生在機器人、手機支架等設計中發展工程思維。本文闡述的是以工程問題的解決范式來探究化工任務的解決以培養學生的工程思維，與設計制作作品的方式略有不同，但教學模型值得借鑒。筆者結合實際經驗，將上述環節調整為： 創設情境，明確任務→分解任務，搭建橋梁→探究方案，修改完善→關注表現，及時評價。下面結合教學實踐予以介紹。

3.1? 創設情境，明確任務

創設工程情境，明確有意義的工程任務，是培養工程思維的基礎。以真實的工程素材為情境，圍繞生產原理、原料的獲取、工藝條件的選擇與優化、產品的制備與純化等方面設置工程任務，在激發學生興趣的同時讓學生明確待解決的工程問題。

該環節應遵循真實性、開放性、啟發性、適切性原則。真實性原則指工程情境以化工素材為載體，待解決的任務要真實且有意義;開放性原則指所設置的任務要滿足“結構不良”或“無明確邊界”，需通過探究尋求解決方案;啟發性原則指所創設的情境應有助于引導學生進行探索求解，啟示學生運用已儲備的知識和技能模擬工程從業人員處理工程問題;適切性原則指創設情境時應考慮學生的生活經驗和認知水平，工程問題往往錯綜復雜，要有適當的條件限定和信息的指引。

筆者結合本市資源（兩家火電廠和一家環保公司），開設了“煙氣脫硝原理及工藝條件選擇的探究”省級公開課，教學中創設情境和預設的工程任務如表2。情境、任務滿足真實性等四原則，學生明確需完成的任務，并且提供了必要的提示信息。用真實工程素材激發學生探究興趣的同時讓學生意識到煙氣脫硝問題就在自己身邊，探索高效的脫硝方案必要且很有意義。

我市兩家火電廠年耗煤量約250萬噸，電廠燃煤煙氣中含大量氮和硫的氧化物，煙氣需脫硝、脫硫后才能排放到空氣中，火電廠所用的脫硝設備為我市××公司生產的SCR脫硝系統，其脫硝原理為氨氣與NOx、 O2作用生成N2和H2O，脫硝效率能達到90%以上。為降低煙氣中NOx的含量，減少環境污染，如何選擇工藝條件提高煙氣中NOx的脫除率？4NH3（g）+4NO（g）+O2（g）4N2（g）+6H2O（g）? ΔH<0

4NH3（g）+6NO（g）5N2（g）+6H2O（g）? ΔH<0

4NH3（g）+2NO2（g）+O2（g）3N2（g）+6H2O（g）? ΔH<0

8NH3（g）+6NO2（g）7N2（g）+12H2O（g）? ΔH<0

3.2? 分解任務，搭建橋梁

工程中的問題往往是“結構不良”或“無明確邊界”的問題，對學生而言可能難以逾越，需要將工程任務分解成若干個探究活動，每個探究活動還可根據需要細化為若干個任務，細化后的任務不僅能清晰確定教學中可納入的思維要素，還能確定解決問題所需的支架信息。

此處搭建橋梁包含兩層涵義： 一是打通任務與思維要素之間的壁壘，建立任務與工程思維要素之間的聯系;二是提供解決工程任務需要的知識與技能，搭建任務解決所需的信息橋梁。僅根據表2素材，學生難以完成“選擇工藝條件提高煙氣中NOx的脫除率”的工程任務，為此將任務拆分為“壓強探究”等四個探究活動，每個探究活動可細化成若干任務，以便確定可納入的思維要素和需提供的支架信息。限于篇幅，筆者以“壓強探究”為例（見圖1）進行介紹。

壓強的選擇需要運用速率、平衡等知識，任務1主要任務是激活解決任務2、 3所需要的基礎知識，搭建解決任務的支架;任務2引導學生抓住選擇壓強要考慮的各個方面因素，不忽視細節，培養學生的系統性思維;任務3需要綜合考慮限度、速率、成本、安全風險等因素，對比、權衡后作出壓強選擇，培養權衡性思維;選擇合適壓強的原則是在保證脫硝效果的前提下降低成本，關注壓強選擇的價值，培養學生的價值性思維。

3.3? 探究方案，修改完善

工程思維是在工程問題的解決過程中發展和提升的，學生在已有知識和技能的基礎上，結合所收集的信息，探究問題解決、權衡方案、優化方案、檢驗設計的合理性等過程的體驗，提升真實問題的解決能力，理解工藝設計的理性和方法。該環節是教學實踐環節，更是落實工程思維培養的重要環節，教師要充當好探究活動的組織者和引路人，可設計層層遞進的問題引導學生運用工程思維進行方案探究，并逐步修改完善。

例如，圖1中的“任務3”為發展學生的權衡性思維和價值性思維進行如下教學：

[教師]其他條件一定的情況下，脫硝工藝中壓強應選擇低壓、常壓還是高壓？

[教師]請結合脫硝的反應的化學方程式和相關化學知識進行探討。

[學生]小組討論后回答。組1： 選擇低壓;組2： 選擇高壓;組3： 選擇常壓……

[教師]我們先一起探討小組1的預設方案，請組1的同學回答，支持你們做出判斷的理由有哪些？

[學生]總體來說，脫硝反應體積增大，低壓有利于平衡正向移動，提高NOx脫除率。

[教師]是否合理？其他組同學請回答。

[學生]不合理，低壓反應速率慢，NOx脫除率會比較低。

[教師]是的，還得考慮速率問題。

[教師]高壓是否合理呢？請同學們評價。

[學生]也不合理，高壓反應逆向移動，不利于煙氣脫硝。

[教師]是的，高壓也不合適。我們在壓強選擇時，不僅要考慮速率、限度問題，還要考慮成本、安全風險等問題。

[教師]常壓是否可行呢？請結合以上提示信息進一步探討。

[學生]從限度角度來看，脫硝的4個反應式總體氣體分子數增大，但增大不多，如4NH3（g）+4NO（g）+O2（g）4N2（g）+6H2O（g），左邊9分子氣體，右邊10分子氣體，所以壓強對限度的影響不大;從成本角度來看，常壓不需要減壓、加壓等設備，可降低成本;從速率角度來看，常壓速率適中;從安全風險角度來看，常壓是比較安全的。綜合起來，選擇常壓下脫硝合理。

[教師]正確，理由也闡述得很清晰，你的選擇與我們市火電廠脫硝時選擇的壓強是一致的！我們的目標是在保證脫硝效果、安全生產的前提下盡可能降低成本、能耗。

通過引導學生對比三種壓強下的速率、限度、成本和安全風險，最終做出合理選擇，發展了權衡性思維，壓強選擇最終是為了保證脫硝效果的基礎上實現效益的最大化，培養學生的價值性思維。

3.4? 關注表現，及時評價

評價的目的是為教學提供反饋，調整、改進教學，促進學生的思維培養，評價的對象不是學生最終設計的方案或答案，而是學習表現所反映的工程思維水平。對于工程思維的評價，可借助學習進階理論[17]將工程思維要素進行水平劃分，通過學生的表現或測試結果分析其工程思維要素所對應的水平等級，進而對工程思維進行量化評價。下面以權衡性思維為例，構建進階層次，并對每個層次賦予一定分值（見圖2），在工程思維的培養過程中，通過活動評價或者紙筆檢測判斷學生權衡性思維所處的水平等級，并記錄分數，使得思維評價變得可視化和量化。

高低水平3： 能自主搜索證據資料進行多因素利益關系對比權衡（3分）

水平2： 能進行給定信息的多因素利益關系對比權衡（2分）

水平1： 能進行單因素利益關系對比權衡（1分）

例如，“其他條件一定情況下，脫硝工藝中壓強應選擇低壓、常壓還是高壓？”探究活動中可根據學生的回答評價其權衡性思維的等級，具體如表3。通過數據比對，為個體在群體中工程思維發展水平提供參考。

未給信息提示從限度角度來看，脫硝的4個反應式總體氣體分子數增大，但增大不多，壓強對限度的影響不大;從成本角度來看，常壓不需要減壓、加壓等設備，可降低成本;從速率角度來看，常壓速率適中;從安全風險角度來看，常壓是比較安全的。綜合起來，選擇常壓下脫硝合理。能自主綜合考慮限度、速率、成本、安全風險等兩種以上因素進行分析，且分析過程正確的定為水平3。3

未給信息提示“選擇低壓，因為低壓能使脫硝反應的平衡正向移動，提高NOx脫除率”或“選擇高壓，高壓能加快反應速率，單位時間內提高NOx脫除率”。能從限度、速率、成本、安全風險等因素中的一個角度進行分析，且分析過程正確的定為水平1。1

應考慮速率、限度、成本、安全風險等因素從限度角度來看，脫硝的4個反應式總體氣體分子數增大，但增大不多，壓強對限度的影響不大;從成本角度來看，常壓不需要減壓、加壓等設備，可降低成本;從速率角度來看，常壓速率適中;從安全風險角度來看，常壓是比較安全的。綜合起來，選擇常壓下脫硝合理。信息提示前只進行了單因素分析，且分析過程正確，但提供信息后，能進行多因素分析，且分析過程正確的定為水平2;若多因素分析錯誤的仍定為水平1。2

目前我國對中學階段化學教學中培育工程思維的研究還比較少，但可行且很有必要。本文拋磚引玉，對化學教學中培養工程思維進行探索嘗試，有不當之處，請批判指正。

參考文獻：

[1]李伯聰. 工程思維的性質和認識史及其對工程教育改革的啟示[J]. 高等工程教育研究， 2018， （4）： 45～55.

[2]楊英杰， 邱俊， 金星. 基于現代工程師的科學思維與工程思維培養[J]. 現代教育科學， 2010， （2）： 149～151.

[3]Shlomo Waks， Elena Trotskovsky， et al. Engineering Thinking： The Experts Perspective [J]. International Journal of Engineering Education， 2011， （4）： 838～851.

[4][6][13]宋蕊. 促進初中生工程思維發展的科學課程整合工程實踐的實證研究[D]. 上海： 華東師范大學碩士學位論文， 2019.

[5]史永悅， 杜欣， 蘇玉成. 從科學與工程教育看美國新科學教育標準[J]. 現代中小學教育， 2016， （2）： 113～117.

[7]National Academy of Engineering. Engineering in K12 Education： Understanding the Status and Improving the Prospects [J]. Insight， 2010， 13（3）： 8～10.

[8]王美茹. 小學智能硬件課程中工程思維培養的行動研究[D]. 西安： 陜西師范大學碩士學位論文， 2018.

[9]李永勝. 論工程思維的內涵、 特征與要求[J]. 洛陽師范學院學報， 2015， （4）： 12～18.

[10]趙美嵐. 工程思維探析[D]. 南昌： 南昌大學碩士學位論文， 2006.

[11]賀全國， 劉有勢， 李廣利等. 物理化學學科視域下跨界工程思維能力的探索[J]. 廣東化工， 2018， （3）： 186～189.

[12]占小紅. 工程實踐融入基礎科學教育： 內涵、 目標與路徑[J]. 基礎教育， 2017， 14（3）： 45～51.

[14]Seungyeon Han， Kakali Bhattacharya. Constyuctionism， Learning by Design， and Project Based Learning [EB/OL]. [2013115]. http：//epltt.coe.uga.edu/index.phd？title=Constructionism，_Learning_by_Design，_and_Project_Based_Learning.

[15]王穎. 普通高中機器人教學中培養學生工程思維的行動研究[D]. 南京： 南京師范大學碩士學位論文， 2014.

[16]王奇偉. 小學STEM課程中工程思維培養的教學設計研究[D]. 上海： 上海師范大學碩士學位論文， 2016.

[17]鄒國華， 童文昭. “離子反應”學習進階及其教學分析[J]. 化學教育， 2018， 39（17）： 22～26.