明辨性思維在工科教育中的應用

由昭紅 王飛 王京龍 王占一 張穎

【摘要】本文首先闡述了明辨性思維及其意義，然后以《食品工程原理》為例介紹了明辨性思維在工科教育專業課程教學中的應用，并列舉實例簡要說明實施的方法和步驟。以期為新形勢下新工科教育提供有益參考。

【關鍵詞】明辨性思維 食品工程原理 高等教育

【基金項目】棗莊學院中美應用技術教育“雙百計劃”職業能力課程立項—明辨性思維;教育部2021產學合作協同育人項目，食品工程原理虛擬仿真實驗教學體系建設。

【中圖分類號】G42 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2021）05-0140-02

明辨性思維也被稱為批判性思維，是國際本科學術互認課程的基礎能力課[1，2]，目前還沒有一個完全統一和公認的概念。美國的Richard Paul如此定義批判性思維：批判性思維是一種智力訓練的過程[3]，它積極而熟練地將觀察、經驗、思考、推理、交流所收集或產生的信息進行概念化、應用、分析、綜合和評價，最后達到作為信念和行動的指南的目的。可以看出明辨性思維的本質也是善于創新、勇于創新的思維模式[1]。很多學者也曾提出過“明辨”的重要性。管子曾說“不審不聰則繆，不察不明則過”[4]。著名教育家陶行知也曾說過“是非未明，決不輕下判斷[5]。”習近平總書記指出：“要明辨，善于明辨是非，善于決斷抉擇。”同時還指出：“明辨的關鍵是‘學會思考，善于分析，正確抉擇”。這些都說明了明辨性思維對人們重要意義[2]。

我國目前開展的新工科教育，也明確將明辨性思維列為未來的工程人才培養核心素養之一。可見，明辨性思維還可助力我國目前倡導的新工科教育，對學生專業學習也十分有利[2]。在知識學習上，明辨性思維反映了人們對所學知識的處理能力，在學習過程是全盤接受知識或信息，還是在自己原有知識和信息的基礎上對新知識和信息進行重新整合形成自己的知識體系呢？兩種不同的處理方式，會導致完全不同的學習結果[6]。學生只有對老師、教材知識不迷信，對已有結論不盲從，對一切持懷疑態度，才能于無疑處生疑，才能對原有結論進行重新的判斷評價，才能閃現批判性思維的火花[7]，才可能有所創新。當然，質疑應該是有根據的，以事實定理為依據，以科學論證為過程，其目的是求得對問題全面正確的把握[8]。

要想將明辨性思維滲透在自己的教學中，就要求教師在課堂上鼓勵學生提出質疑，積極辯論，營造平等、寬松、和諧的課堂氣氛。食品科學與工程專業課程主要是培養具備食品新產品開發、食品工程設計、食品安全控制與管理能力的應用型工程技術人才。《食品工程原理》是食品科學與工程專業的核心課程，因此，該課程的教學目標不僅僅是要求學生能夠掌握一定的工程知識，更重要的是培養學生如何運用所學知識發現問題、分析問題和解決實際問題的能力。

因此在該課程的教學中，若想達到較好的教學效果，就必須引導學生積極地去觀察、思考、推理、交流。從而熟練地將觀察、經驗、思考、推理、交流所收集或產生的信息進行概念化、應用、分析、綜合和評價，達到作為信念和行動的指南的目的。最終讓學生養成善于創新、勇于創新的這樣一種思維模式。

接下來就以《食品工程原理》的教學為例，就明辨性思維在工科教育中的應用談幾點自己的想法：

1.鼓勵學生多渠道獲取章節知識相關信息，引導學生多觀察，思考和推理。《食品工程原理》涉及的知識面廣，理論性強，學習難度大，大部分學生有畏難情緒。為了有效提高該課程的教學效果，嘗試將明辨思維教學模式貫穿在教學中。為了給學生創造更多的觀察、思考、推理、交流的機會，在課前讓學生預習教材，提供授課視頻，提供單元操作設備視頻，或者讓學生自行搜索資料了解設備結構，搜索設備工作原理。主要是讓同學們多聽、多看，達到多觀察的效果。同時給學生較高質量的預習作業，讓學生在完成預習后就能對知識體系有更清晰的了解。比如在傳熱基本方式的教學中，學生預習作業：傳熱的基本方式有幾種？傳熱速率計算公式分別是什么？各個公式中系數的意義是什么？設計一個換熱器的基本流程有哪些？學生帶著問題去預習，就會有目標，有動力。同時能達到多思考的目的。盡管很多時候學生的作業完成得不是十分理想，但是只要學生去做了就會發現問題，就會在課堂上帶著問題去學習，這都有利于學生對教材知識的把握，更有利于學生將所學知識與生產實際結合起來，也有利于學生對本課程中很多抽象概念的理解。預習作業可分組完成，要求組內同學分工合作，最后通過討論交流得到最終答案，這樣做既減輕了學生的學習負擔，也為學生提供了交流的機會，達到使學生多交流的目的。此外，在課后還要鼓勵學生參閱相關教材和學術資料，獲取大量的信息和知識，對教材的知識提出自己的見解，以促進學生的深入思考，便于學有余力的同學進行深入學習。

2.教學中多采用討論辯論式教學，鼓勵學生發言。這樣做的主要目的是讓學生將預習階段觀察、思考、推理、交流所獲得的信息，進行收集整理，達到將信息初步概念化的目的。首先要鼓勵學生積極發言，激發發言欲望。

其實在現實教學中我們都深有體會，學生的積極性是非常難以調動。尤其是對于食品相關專業的同學，他們的工科思維是非常薄弱的，他們對于《食品工程原理》這門課程有且僅有的印象就是“難”。在這種情況下要想調動他們的積極性，就需要老師精心設計教學環節，由淺入深，由表及里，逐漸深入地引導學生學習。比如流體力學這一章內容，伯努利方程的相關計算比較復雜，能量的轉換也比較抽象。在該章節知識的理解中，學生必須要理解“熱力學第一定律”描述的“能量守恒”概念。如果對該概念是不理解的，那么這一章的知識的理解將無從談起。因為在伯努利方程里涉及到各種能量表示方式，及其相互轉換，以及能量損失的表示方式：壓強損失。因此在設置討論問題的時候，第一個問題可以是：請你談談你是如何來理解“熱力學第一定律”的？預習作業后可以設置第二個問題：你覺得“熱力學第一定律”和我們即將要學習的伯努利方程有什么關系嗎？而在流體流動阻力計算公式-范寧公式里面也涉及到壓力損失。學完該部分知識，可以設置第三個討論問題：伯努利方程中的壓降和范寧公式中的壓降是否是一回事，有什么區別和聯系？這一系列問題由淺入深，層層深入和遞進，將其引入課堂討論或者辯論，不但可以讓同學深入理解能量的相互轉換及守恒，還對兩個公式中壓降的意義有了明確的認識。不知不覺中化解了同學們對該課程已有的“難”的印象，非常有利于后續各章節知識的學習。

3.教學中設置想象情景。給學生假設創造特定情景，讓學生積極對該情景進行想象。這樣做的主要目的是讓學生將前面概念化的信息進行應用，以達到分析、綜合或評價的目的。比如在講解非均相混合物分離，過濾基本方程的推導是非常復雜、繁瑣的。此部分的教學往往比較枯燥，學生提不起興趣。那么我們可以設定這樣一個場景：學生成為了一個食品工程領域的工程師，而他此刻正面臨一個過濾速率問題，那么他會如何處理呢？讓大家發動腦筋想辦法。然后積極地引導學生，將過濾過程看作是流體的流動過程，那么流體在通過顆粒床層后也存在壓降，引導學生利用流體流動相關理論-范寧公式來處理該問題。但是若想利用范寧公式，必須有流體流動的管道，因此，我們把顆粒床層中所有與流體接觸的表明均看作是管道內表面的話，通過孔隙率獲得顆粒床層的比表面積和容積獲得顆粒床層的當量直徑，以及流速。將其代入范寧公式即可推出流體通過顆粒床層的數學模型。盡量拋棄原來完全灌輸的教育方式，在講解一些知識前，給學生充分的空間，讓他們開動腦筋，自由發揮想象力。即便他們不能完美地解決問題，讓他們養成這樣的學習習慣，也會讓學生受益終生。創新也是新工科教育理念的核心要素之一。在該理念的引領下，在食品工程原理的教學中，我們可以根據知識點，設定特定的情境問題，讓每個同學都以工程師的身份來解決問題，讓學生置身于這種角色中，享受這種角色，從而激發學生的想象力、創造力。同時也達到了對知識的應用、分析以及綜合。

4.采用新的教學手段和教學模式。《食品工程原理》這門課程的教學中涉及到很多食品加工設備工作原理，加工原理等非常抽象的場景。學生理解起來難度很大。傳統的教學模式和教學手段下，提高學生對基礎知識的掌握程度已經非常不易了。想達到對知識的“融會貫通、綜合運用”就更難了。所以必須要借助一些新的教學手段和教學模式。

虛擬仿真技術主要是基于動畫、仿真、三維仿真、VR等技術發展起來的。虛擬仿真技術可以利用虛擬現實或實物仿真技術創建、重塑或還原一些抽象的場景。這些場景是類似于游戲場景一樣的實踐教學場景，形象生動，把實訓和娛樂有機地結合起來，有的軟件還采取多人在線進行比賽的模式進行，特別適合年輕人的興趣愛好。這不僅可以豐富和完善現有教學手段，消除教學盲點。還可以增強學生的學習體驗，提高學習興趣，提升教學質量。研究表明，主動學習的模式能夠有效提高學生掌握老師所教授知識的程度。主動學習模式中的討論方式在教學兩周后學生還能掌握所學知識的50%，而對于實踐模式和教授他人模式分別可以達到70%和90%。如果能夠將虛擬仿真技術和自己的教學有機地結合在一起，必將會大大提高教學效果，消除該課程中的教學盲點。

但是，目前絕大多數的虛擬仿真軟件、設備等都是應用于實訓教學，主要就是為了對現實教學中不具備或難以完成的教學項目進行模擬學習。將虛擬仿真技術應用于教學的案例還不多見。這主要是由于之前的虛擬仿真技術，交互性、設計性、參與性差，這主要也是因為目前的虛擬仿真軟件，都是現成的軟件，這些軟件雖然場景逼真、形象生動，但是大部分軟件沒有做到真正的交互性，大部分都是演示性軟件，這對于學生創新思維的培養是不利的。很多軟件也不可以任意改變參數設置，不利于開展設計性教學。但是隨著虛擬仿真技術的快速發展，新的軟件層出不窮。近年來出現的一些門檻低、開發效率高、開放性好，易學、易用的 VR 內容開發平臺為我們在教學中提升學生設計思維、創新思維提供了可能。該類軟件對于編程零基礎的同學也可以快速掌握并使用。學生利用該軟件可以輕松對設備進行仿真，對工藝流程進行仿真，也可以進行場景再現等。其開放性好就在于設計者可以隨時隨地修改仿真產品，無需編譯直接運行，這就使得軟件具備了真正的交互性和設計性。將這樣的軟件應用到學生的課后作業中，讓學生在作業中設計一些設備或者單元操作流程，這樣不僅加強對課堂知識的消化、吸收，還可以達到知識的“融會貫通，綜合運用”。當然學生仿真的對象可以是現實的產品，也可以是自己對已有產品的改造，及自己設想的產品。這種訓練對于培養學生創新思維、工程思維都是非常有利的。

綜上所述，將明辨性思維訓練與《食品工程原理》教學有機地融合在一起，利于培養學生的學習習慣，引導他們首先學會觀察、思考、交流，并有效收集信息，然后分析、歸納、總結并運用、評價信息，最終達到將信息轉化為信念和行動的指南的目的。

參考文獻：

[1]唐利芹，李明雪.ISEC 項目背景下明辨性思維與學科教學之融合研究[J].蘭州石化職業技術學院學報，2019（2）：45-48.

[2]吳愛華，楊秋波，郝杰.以“新工科”建設引領高等教育創新變革[J].高等工程教育研究，2019（1）：1-7.

[3]李冰，韓林山.“新工科”背景下地方高校教學模式的改革與探索——以華北水利水電大學機械類專業為例[J].教育教學論壇，2019（19），66.

[4]張金頂.關于《化工原理》教與學難點的探討[J].彭城職業大學學報，1999（2）：53-54.

[5]王瑜，董曉慶.提高環境專業《化工原理》教學效果的實踐總結[J].廣州化工，2013，41（7）：203-204.

[6]霍雨佳.批判性思維的要素及其關系[J].重慶理工大學學報（社會科學），2019（7）：16-23.

[7]劉明洋，袁曉川.融通之道：解讀新媒體環境下新聞傳播教育的兩大趨勢[J].國際新聞界，2018，40（9）：128-148.

[8]杜琤.新形勢下高校研究生管理工作研究[J].當代教育論壇（管理研究），2011（10）：24.