化學(xué)教學(xué)中工程思維的內(nèi)涵及培養(yǎng)

摘? ? ? 要 化學(xué)教學(xué)中應(yīng)對(duì)工程思維內(nèi)涵及其培養(yǎng)形成基本認(rèn)識(shí)。工程思維除思維的一般特征外，還具有有創(chuàng)新性、情境性、系統(tǒng)性等顯著特點(diǎn)。工程思維的培養(yǎng)應(yīng)注重化學(xué)教學(xué)中工程思維培養(yǎng)的著力點(diǎn)，化學(xué)教學(xué)中工程思維培養(yǎng)的實(shí)施路徑，化學(xué)教學(xué)中工程思維培養(yǎng)的能力要素，化學(xué)教學(xué)中工程思維培養(yǎng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)四個(gè)方面。

關(guān) 鍵 詞 化學(xué)教學(xué)? 工程思維? 工程實(shí)踐? 價(jià)值思維

引用格式 陸庭鑾.化學(xué)教學(xué)中工程思維的內(nèi)涵及培養(yǎng)[J].教學(xué)與管理，2022（07）：62-65.

工程思維已是當(dāng)今科學(xué)類課程中一個(gè)熱詞，培養(yǎng)工程思維在化學(xué)教學(xué)中已凸顯其重要性。化學(xué)教學(xué)的科學(xué)思維重視的是科學(xué)探究過程和方法，通過科學(xué)探究活動(dòng)與科學(xué)思維發(fā)現(xiàn)科學(xué)規(guī)律與定律等。而工程思維正是以具體的某個(gè)實(shí)際問題為驅(qū)動(dòng)框架，要求學(xué)生在任務(wù)的驅(qū)動(dòng)下通過合作、探究等方式解決實(shí)際問題，體現(xiàn)了創(chuàng)新能力與創(chuàng)新精神。在化學(xué)教學(xué)中如何理解工程思維？它與科學(xué)思維是怎樣關(guān)系？如何把握在初中階段工程思維培養(yǎng)的度？這些問題我們需要理清理順。

一、工程思維的內(nèi)涵及特征

思維是指向問題解決的認(rèn)知過程，是人類的高級(jí)認(rèn)識(shí)活動(dòng)，是對(duì)客觀事物的本質(zhì)及其內(nèi)在聯(lián)系間接和概括的反應(yīng)[1]。工程思維則是思維的一種具體表現(xiàn)形式，它具有思維的一般特征：邏輯性、靈活性、深刻性等，工程思維也具有不同于思維一般特征的顯著特點(diǎn)，要認(rèn)真理解工程思維，還必須理清它與科學(xué)思維與藝術(shù)思維的關(guān)系。

1.工程思維具有創(chuàng)新性

創(chuàng)新性是工程思維的最基本特征，工程思維的基本內(nèi)涵就是創(chuàng)造、發(fā)明、設(shè)計(jì)和建造[2]，其本質(zhì)就是通過一系列的工程實(shí)踐活動(dòng)“創(chuàng)造”出“現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品”[3]。這種創(chuàng)新性不是單純隨時(shí)間積累的量的變化而產(chǎn)生的質(zhì)性改變，它往往要求學(xué)習(xí)者和實(shí)踐者在實(shí)施過程中從預(yù)設(shè)和設(shè)計(jì)的起點(diǎn)出發(fā)，在實(shí)施過程中伴隨著直覺與靈感，從頓悟中產(chǎn)生創(chuàng)新性質(zhì)變。某種意義說，創(chuàng)新性思維是一種非邏輯性和非線性思維。人類在實(shí)踐過程中不僅僅需要分析與綜合、歸納與演繹、比較與分類等邏輯思維，還需要經(jīng)驗(yàn)、直覺、想象、直觀、靈感、頓悟、洞察力等非邏輯思維發(fā)揮作用，從而實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新性活動(dòng)。

2.工程思維具有情境性

情境是一個(gè)人在進(jìn)行某種行動(dòng)時(shí)所處的特殊背景，包括機(jī)體本身和外界環(huán)境因素。工程實(shí)踐是面向具體問題的實(shí)踐活動(dòng)，它與具體的“個(gè)別對(duì)象”聯(lián)系在一起，有很強(qiáng)的“情景依賴性”[4]，它是直面和依靠“事實(shí)情境”的。“事實(shí)情境”具有3大屬性特征：背景屬性、知識(shí)屬性和活動(dòng)屬性[5]，同時(shí)決定了工程思維也應(yīng)具有一定情境性的思維，不能脫離特定的時(shí)間、地點(diǎn)、空間與環(huán)境，也為個(gè)性思維與創(chuàng)造性思維提供了發(fā)展條件。

3.工程思維具有系統(tǒng)性

工程思維體現(xiàn)出的是“系統(tǒng)創(chuàng)新”，體現(xiàn)“系統(tǒng)即創(chuàng)造”的思想[6]。一是涉及多個(gè)領(lǐng)域豐富的知識(shí)，如科學(xué)知識(shí)、技術(shù)知識(shí)、數(shù)學(xué)知識(shí)、社會(huì)知識(shí)和人文知識(shí)等，它們相互滲透、彼此整合、共同促進(jìn);二是調(diào)用多種方法與思維，它是多種方法與思維的綜合與整合，是科學(xué)思維、工程思維、藝術(shù)思維及人文思維的相互綜合;三是多種因素綜合評(píng)價(jià)，工程問題常涉及“結(jié)構(gòu)不良”和“無明確邊界”的問題[7]，應(yīng)運(yùn)用系統(tǒng)性思維綜合思維，細(xì)節(jié)分析與整體綜評(píng)相結(jié)合，價(jià)值性分析與雙羸性分析相結(jié)合，地理因素與人為因素相結(jié)合，權(quán)衡性及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等相結(jié)合。

化學(xué)教學(xué)中科學(xué)思維與工程思維是緊密關(guān)聯(lián)的兩種思維。美國《下一代科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)》（NGSS）明確了跨科概念與核心概念、科學(xué)與工程實(shí)踐共同構(gòu)成了自然科學(xué)領(lǐng)域有效學(xué)習(xí)的3個(gè)維度，明確了科學(xué)與工程實(shí)踐的學(xué)習(xí)目標(biāo)等要素。工程實(shí)踐過程往往伴隨著科學(xué)探究過程，此過程不僅需要“發(fā)現(xiàn)”，更注重“創(chuàng)新”，創(chuàng)新需要科學(xué)的支撐，在深諳科學(xué)原理、方法與技能的基礎(chǔ)上，才會(huì)迸發(fā)出個(gè)性化與創(chuàng)新性的靈感與直覺，工程實(shí)踐過程中創(chuàng)新性思維還體現(xiàn)出邏輯與想象的有機(jī)結(jié)合，而藝術(shù)思維的核心就在于想象與思維的完善結(jié)合，可以把工程定義為：“把科學(xué)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)知識(shí)運(yùn)用于設(shè)計(jì)制造或完成對(duì)人類有用的建設(shè)項(xiàng)目、機(jī)器和材料的藝術(shù)”[8]。

二、工程思維培養(yǎng)的實(shí)踐

工程思維的價(jià)值性立足于可行性、可操作性的實(shí)踐，在實(shí)踐中培養(yǎng)實(shí)然與應(yīng)然、經(jīng)驗(yàn)與超驗(yàn)、現(xiàn)實(shí)與理想相統(tǒng)一的實(shí)踐性思維，體現(xiàn)了“吾造物故吾在”的精髓[9]。認(rèn)識(shí)論的一般過程為實(shí)踐-認(rèn)識(shí)-再實(shí)踐，培養(yǎng)的過程就是思維認(rèn)識(shí)與再認(rèn)識(shí)的過程，培養(yǎng)的過程就是實(shí)踐的過程，實(shí)踐過程中會(huì)伴隨著直覺與靈感的迸發(fā)，創(chuàng)造性思維應(yīng)運(yùn)產(chǎn)生。

1.化學(xué)教學(xué)中工程思維培養(yǎng)的著力點(diǎn)

從美國新科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)制定的演變過程來看科學(xué)與工程實(shí)踐的發(fā)展：1996年，美國頒布了第一套《國家科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》，在實(shí)施過程中暴露出一些不足，如課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)較松散，不夠聚焦，學(xué)生的實(shí)踐能力不強(qiáng)。2011年美國頒布了《K-12年級(jí)科學(xué)教育的框架：實(shí)踐、交叉概念以及核心觀念》，核心理念是學(xué)生運(yùn)用科學(xué)知識(shí)及跨學(xué)科的概念加深對(duì)科學(xué)和工程實(shí)踐知識(shí)的理解和運(yùn)用[10]。2013年美國頒布了《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》，將科學(xué)和工程實(shí)踐、核心概念和跨科概念進(jìn)行有效整合，形成學(xué)習(xí)的三維框架體系。這也是首次將科學(xué)與工程實(shí)踐整合進(jìn)了基礎(chǔ)教育，突出了科學(xué)和工程實(shí)踐的位置，促進(jìn)了科學(xué)與工程的有機(jī)整合，著力培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造思維能力。

隨著全球掀起科學(xué)和工程實(shí)踐等課程改革的風(fēng)潮，我國的工程思維培養(yǎng)也逐漸進(jìn)入了基礎(chǔ)教育階段，《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》和《普通高中通用技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》在內(nèi)容中首次加入技術(shù)與工程領(lǐng)域。課程標(biāo)準(zhǔn)中提出：工程技術(shù)的關(guān)鍵是設(shè)計(jì);工程是運(yùn)用科學(xué)和技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)、解決實(shí)際問題和制造產(chǎn)品的活動(dòng)。工程思維是一種高階思維，對(duì)于提高學(xué)生的核心素養(yǎng)意義重大。對(duì)于基礎(chǔ)教育階段化學(xué)教學(xué)中工程思維培養(yǎng)的著力點(diǎn)和側(cè)重點(diǎn)的問題，國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)都有研究。美國國家工程院（NAE）在《K-12教育中的工程：理解現(xiàn)狀和提升未來》中對(duì)工程思維的定義是：工程思維是工程的“思維習(xí)慣”，具體包括系統(tǒng)思維、創(chuàng)造力、樂觀、合作、溝通交流、倫理考慮等[11]。我國教育部在《普通高中通用技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)工程思維的定義是：工程思維是以系統(tǒng)分析和比較權(quán)衡為核心的一種籌劃性思維。我國研究者普遍認(rèn)為，工程思維是從現(xiàn)實(shí)出發(fā)而不是從概念出發(fā)的一套具有創(chuàng)造性、系統(tǒng)性、科學(xué)性和現(xiàn)實(shí)性等特點(diǎn)的獨(dú)特思維方式與習(xí)慣[12]。gzslib202204011728

從國內(nèi)外相關(guān)課程標(biāo)準(zhǔn)的制定演變過程看，從基礎(chǔ)教育階段科學(xué)和工程實(shí)踐中思維能力的具體要求觀察，化學(xué)教學(xué)中的工程思維并非是工程領(lǐng)域中的工程思維，而應(yīng)是培養(yǎng)學(xué)生在真實(shí)問題境域中，運(yùn)用系統(tǒng)性、籌劃性等思維權(quán)衡解決問題的思維方式和習(xí)慣[13]。

2.化學(xué)教學(xué)中工程思維培養(yǎng)的能力要素

化學(xué)教學(xué)中培養(yǎng)工程思維有助于促進(jìn)學(xué)生工程實(shí)踐能力的發(fā)展。工程能力就是在工程決策、工程設(shè)計(jì)、工程實(shí)踐與工程評(píng)價(jià)過程中通過工程思維的培養(yǎng)而形成的關(guān)鍵能力。

（1）工程決策階段發(fā)展工程決策能力。主要表現(xiàn)為：根據(jù)真實(shí)的工程情境，創(chuàng)造性提出有價(jià)值的任務(wù)的能力;能夠聯(lián)系工程情境，結(jié)合問題，從多角度分析任務(wù)要素，發(fā)展全面系統(tǒng)考慮問題的能力;通過合作探討，制定出切實(shí)可行的解決方案，發(fā)展學(xué)生交流與合作以及綜合權(quán)衡的能力。

（2）工程設(shè)計(jì)階段發(fā)展工程設(shè)計(jì)能力。主要表現(xiàn)為：靈活運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)與技能設(shè)計(jì)模型、活動(dòng)，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維能力;在設(shè)計(jì)過程中采用分析與綜合、分類與類比、歸納與演繹等方法發(fā)展學(xué)生的探究能力;運(yùn)用反思與質(zhì)疑等手段與方法對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行修改，發(fā)展學(xué)生的質(zhì)疑創(chuàng)新能力。

（3）工程實(shí)踐階段發(fā)展工程實(shí)踐能力。主要表現(xiàn)為：敏銳的觀察能力和分析能力，敢于接觸實(shí)際、提出問題和解決問題的動(dòng)手能力;在設(shè)計(jì)過程采用多種思維能力，以及處理工程實(shí)踐問題時(shí)所需要的協(xié)調(diào)、合作能力;探索對(duì)方案的迭代優(yōu)化，發(fā)展學(xué)生的質(zhì)疑優(yōu)化能力。

（4）工程評(píng)價(jià)階段發(fā)展工程評(píng)價(jià)能力。主要表現(xiàn)在：依據(jù)工程任務(wù)與目標(biāo)準(zhǔn)確理解的評(píng)價(jià)能力;通過綜合設(shè)計(jì)方案的可行性、科學(xué)性和創(chuàng)造性等因素，發(fā)展學(xué)生的評(píng)價(jià)能力;實(shí)踐中對(duì)邏輯思維能力、動(dòng)手操作能力及合作等進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，對(duì)形成的實(shí)驗(yàn)結(jié)果多角度綜合評(píng)價(jià)。

3.化學(xué)教學(xué)中工程思維培養(yǎng)的實(shí)施路徑

科學(xué)和工程是相互交叉、關(guān)聯(lián)、整合的，科學(xué)是認(rèn)識(shí)世界與解釋世界的理論與規(guī)律，是人類試圖了解自然界、探究新知識(shí)的方法。科學(xué)探究的一般過程是發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、做出假設(shè)、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)、解釋與檢驗(yàn)、反思與表達(dá)等;工程主要面對(duì)“結(jié)構(gòu)不良”和“無明確邊界”的問題，是通過解決實(shí)際問題，不斷迭代優(yōu)化方案的實(shí)踐過程。工程實(shí)踐的一般過程是確定目標(biāo)與問題、初步設(shè)計(jì)問題解決方案、測(cè)試工程方案、迭代優(yōu)化工程方案等。從本質(zhì)上講，兩者是同屬于解決一個(gè)具體情境問題的過程，都是指向具體問題解決的[14]。

科工整合是化學(xué)教學(xué)中工程思維培養(yǎng)的有效實(shí)施路徑。唐小為等對(duì)國內(nèi)外30多個(gè)科工整合案例進(jìn)行編碼分析，從科工整合的目的、兩者所占的比重和組織關(guān)聯(lián)方式三個(gè)維度出發(fā)，提出了科學(xué)與工程整合的三種具體教學(xué)實(shí)施思路：應(yīng)用延伸型（工程設(shè)計(jì)為主）、工程框架型（工程與科學(xué)并重）、設(shè)計(jì)探究型（科學(xué)探究為主）[15]。在唐小為的研究基礎(chǔ)上，占小紅從科學(xué)探究與工程實(shí)踐的整合過程模式角度，建立了以科學(xué)探究為主、工程實(shí)踐為主、科學(xué)探究和工程實(shí)踐并重的三種整合的主要教與學(xué)模式[16]。通過對(duì)三種教學(xué)模式中整合的目的、兩者所占比重及組織關(guān)聯(lián)方式進(jìn)行剖析，“應(yīng)用延伸型”重在培養(yǎng)學(xué)生的工程思維，科學(xué)探究作為工程設(shè)計(jì)的支撐或依據(jù);“工程框架型”則將科學(xué)探究的成果運(yùn)用到工程設(shè)計(jì)中，兩者過程相對(duì)獨(dú)立;“設(shè)計(jì)探究型”則以工程設(shè)計(jì)為手段，科學(xué)探究為主線，工程設(shè)計(jì)幫助探究得出規(guī)律[17]。

Apedoe等在課程實(shí)踐的基礎(chǔ)上明確指出，以工程為框架結(jié)合科學(xué)探究活動(dòng)，學(xué)習(xí)者可從這樣的整合中得到提升[18]。基于工程實(shí)踐為主的教學(xué)模式是目前較為常用的實(shí)施途徑，師生通過工程決策、工程設(shè)計(jì)、工程實(shí)踐和工程評(píng)價(jià)等活動(dòng)，培養(yǎng)學(xué)生的籌劃思維、系統(tǒng)思維、創(chuàng)新思維和雙贏思維等。在工程實(shí)踐活動(dòng)中，工程思維培養(yǎng)的設(shè)計(jì)可從工程視角、學(xué)生視角、教師視角、活動(dòng)和任務(wù)視角等方面展開，具體的模型建構(gòu)如圖1所示。

環(huán)節(jié)一：情境引問，任務(wù)決策。此環(huán)節(jié)為工程任務(wù)決策階段。學(xué)生完成界定問題、調(diào)查研究和制定計(jì)劃等;教師通過真實(shí)情境引問，提出有價(jià)值的問題，引導(dǎo)學(xué)生作出相關(guān)決策。工程決策主要完成2個(gè)方面的決策：一是確定工程任務(wù)總目標(biāo);二是進(jìn)行任務(wù)流程總體設(shè)計(jì)，包括哪幾個(gè)版塊，將完成哪些任務(wù)，能夠根據(jù)工程任務(wù)制定出合理的解決方案，此過程設(shè)計(jì)流程應(yīng)是循環(huán)的而非線性的。任務(wù)決策階段，教師只能是引導(dǎo)而不能代替決策，決策的主體是學(xué)生，其自主對(duì)工程任務(wù)的總目標(biāo)和工程流程進(jìn)行規(guī)劃和決策。

環(huán)節(jié)二：先行組織，整體設(shè)計(jì)。此環(huán)節(jié)為工程設(shè)計(jì)階段。學(xué)生針對(duì)任務(wù)設(shè)計(jì)具體活動(dòng)及探究點(diǎn)，包括素材和材料、先行認(rèn)知知識(shí)、信息資料等;教師幫助學(xué)生收集資料，梳理缺失知識(shí)，幫助修改和調(diào)整設(shè)計(jì)等。此環(huán)節(jié)主要通過搭支架，優(yōu)化和修改設(shè)計(jì)，使整個(gè)設(shè)計(jì)更合理、更有價(jià)值。

環(huán)節(jié)三：探究實(shí)踐，優(yōu)化設(shè)計(jì)。此環(huán)節(jié)為工程實(shí)施階段。學(xué)生針對(duì)制定的方案、任務(wù)及活動(dòng)，實(shí)施探究實(shí)踐;教師答疑解惑，幫助學(xué)生在實(shí)踐解決問題的過程中突破難點(diǎn)、解決疑點(diǎn)，同時(shí)對(duì)方案測(cè)試檢驗(yàn)，保證方案的可行性。

環(huán)節(jié)四：實(shí)施診斷，表現(xiàn)評(píng)價(jià)。此環(huán)節(jié)為工程評(píng)價(jià)階段。學(xué)生展示作品，分享成果;教師組織交流，實(shí)施診斷，對(duì)學(xué)生表現(xiàn)評(píng)價(jià)，定性與定量相結(jié)合，在此基礎(chǔ)上提出改進(jìn)的措施和方案。

4.化學(xué)教學(xué)中工程思維培養(yǎng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)

布魯姆認(rèn)為教學(xué)評(píng)價(jià)有收集證據(jù)、實(shí)施診斷和反饋矯正三種功能[19]。通過反饋、矯正及時(shí)調(diào)整、改進(jìn)教與學(xué)，促進(jìn)學(xué)生工程思維的培養(yǎng)。鄒國華等認(rèn)為，評(píng)價(jià)的對(duì)象不是學(xué)生最終設(shè)計(jì)的方案或答案，而是學(xué)生表現(xiàn)所反映的工程思維水平[20]。可按工程的幾個(gè)階段將工程思維水平劃分為工程決策思維水平、工程設(shè)計(jì)思維水平、工程實(shí)踐思維水平等，根據(jù)學(xué)習(xí)進(jìn)階理論將其水平劃分為幾個(gè)等級(jí)，從而對(duì)工程思維進(jìn)行評(píng)價(jià)（見表1）。亦可就工程思維的要素將其劃分為：殊相性思維、籌劃性思維、系統(tǒng)性思維、價(jià)值性思維等，將每個(gè)工程思維的要素按照水平劃分為幾個(gè)等級(jí)進(jìn)行評(píng)價(jià)（見表2）。gzslib202204011728

在化學(xué)教學(xué)中滲透工程思維教學(xué)很有必要且十分重要。在化學(xué)課堂教學(xué)中需要不斷地探索工程思維培養(yǎng)與實(shí)施的途徑與方式，架構(gòu)工程思維培養(yǎng)的教與學(xué)有效模式，切實(shí)為培養(yǎng)與提高學(xué)生的化學(xué)核心素養(yǎng)作出不懈的努力。

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