工程思维及其在化学课程中的培养.pdf

I学术纵横xueshu zong heng工程思维及其在化学课程中的培养文/邹国华【摘要工程思维是复合型思维，包含创造性思维、系统性思维、权衡性思维、价值性思维、双赢性思维等要素。目前，中学阶段对学生工程思维的培养相对缺失，因此，在中学化学教学中开展培养工程思维的研究有实际价值。中学阶段培养的工程思维并非专业工程领域的工程思维，文章分析工程思维及其培养困境，探讨化学教学中培养工程思维的要求、载体和途径，为化学教学实践中培养工程思维提供参考。【关键词工程思维；化学教学；培养实践作者简介邹国华，龙岩第一中学为贯彻落实国家中长期人才发展规划纲要（2 0 1 0-2 0 2 0 年）及中国创造2 0 2 5 行动纲领等文件精神，教育部于2 0 1 1 年提出“卓越工程师教育培养计划”，旨在培养、强化学生的工程能力和创新能力。工程教育是实现该目标的途径，工程思维作为工程教育的重要组成部分，其培养被视为工程教育的重点之一 1 。然而，目前理工科大学生的工程意识和工程思维能力普遍较弱，解决问题能力有待加强，提升学生的工程思维能力已刻不容缓 2 。当下，开展工程教育主要依靠高校，但工程思维培跨学科实践的具体落实过程中，教师可以参照义教课标2 0 2 2 年版学习主题提供的内容，也可以结合当地的实际情况，进行灵活选题与实践。同时，教师还可以通过跨学科实践活动实现小学科学、初中生物学和高中生物学的课程衔接，引导学生在实践中逐步认识生物学的学科本质、学科重要的思想观念及方法，真正发展学生核心素养。例如，发酵食品制作类跨学科实践活动中，教师可引用普通高中生物学课程标准（2 0 1 7 年版2 0 2 0 年修订)内容要求中的“概念3 发酵工程利用微生物的特定功能规模化生产对人类有用的产品”，引导学生进行延伸学习，让学生在跨学科概念上有新认识、在工程学素养上有新发展，日后在面对人类健康与疾病、生态环境保护、粮食和食品安全等问题时，能运用科学的观点、思路和方法寻求有效的问题解决方式。养的任务不能只留给高校，需要在基础教育阶段进行启蒙和积累。在基础教育培养工程思维，对提升学生的创新创业能力具有重要指导作用【3 ，也对核心素养的发展有重要促进作用【4 一、基础教育工程思维培养的困境工程思维的培养对学生发展有重要意义，但从目前来看，基础教育培养工程思维存在困境。王长江等经过调研认为，目前我国基础教育阶段的工程教育理论和实践研究才刚起步，还未引起足够的重参考文献1 中华人民共和国教育部义务教育生物学课程标准（2 0 2 2 年版）S.北京：北京师范大学出版社，2 0 2 2：1-5 2.2 4 7 刘恩山，义务教育生物学课程标准（2 0 2 2 年版）解读M.北京：北京师范大学出版社，2 0 2 2：6 3-1 3 3.3 5 9 1 1 詹泽慧，季瑜，赖雨彤.新课标导向下跨学科主题学习如何开展：基本思路与操作模型J.现代远程教育研究，2023,35(1):49-58.6 8 夏雪梅.跨学科项目化学习：内涵、设计逻辑与实践原型J.课程教材教法，2022,42(10):78-84.1 0 胡庆芳.跨学科实践推进与教师能力发展M.上海：华东师范大学出版社，2 0 2 1：1-2 8.2023.8_29【学术纵横xue shu zong heng视5 。面对新时代的变革，学校教育不断发展，学者对学科思维的教学研究越来越多，但较少关注学生工程思维培养的研究。目前中学课程中，仅通用技术课程明确将工程思维的培养列入课程目标之中，其他课程均是较为隐性地提及部分与工程思维相关的培养目标，因此，中学阶段培养工程思维的意识是相对薄弱的。工程问题情境是培养工程思维的良好载体，但工程问题情境一般都是复杂、陌生的，涉及多学科的知识，且很多内容超出中学生认知水平，需要教师筛选、优化、重构后，才能在课堂中使用，这不仅需要教师有相应资源、时间的保障，还要有较好的教育教学能力支撑。这些因素造成教师意愿、能力和教学条件等方面无法满足工程教育的需要。二、中学阶段可培育的工程思维要素及关系工程思维是综合运用各学科知识，系统地、有规划地分析和解决各种实际问题的思维，是具有集成性与综合性的高阶思维【6 ，能指导工程从业人员分析复杂的现实问题，提供问题解决的结构框架。在中学阶段培养学生的工程思维，并非专业工程领域中的工程思维，而是要学生通过借鉴工程专业问题解决的范式、途径，系统地、有规划地解决复杂的现实问题。工程思维是复合型思维，包含诸多要素。通过研究文献，笔者认为中学阶段可培养的工程思维要素包括系统性思维、创造性思维、权衡性思维、价值性思维、双赢性思维【7 ，各思维要素的具体内涵如表1，各思维要素关系如图1。表1 工程思维要素的内涵思维要素内涵在特定的时空条件下，面对真实问题，系统地分析其系统性整体与环境、整体与部分的相互作用；能通盘考虑问思维题的各环节、各方面，注意到它们之间的相互联系和相互影响；从全局出发，注重整体结果和整体效益。运用掌握的知识、技能探索未知事物的开创性思维活创造性动，是创造想象和现实定向的有机融合，其目标是产思维生独特、新颖、具有社会价值的新成果或新领域。基于客观事实和约束因素，调和审美、生态、技术、权衡性社会等各种不同需求；对各种利益、成本、利弊等关思维系进行对比、统筹、协调，最终折中选择特定情境下相对满意解间。以价值关系为轴心的一种思维，处于工程思维结构的核心位置，是掌管工程活动“顶层设计”的思维主脉；价值性其思维路径是以价值关系为思维运作的依据、出发点思维和归宿，以此观察、分析、处理和解决问题；其目标是实现并创造更大的价值 9 。在互惠、互利、平等下的相互协作、共同发展，实现利双赢性思维益均衡的思维；提倡沟通合作、互利互惠；包含不同个体、机构、行业间的双赢，也包含人与自然的双赢。价值性思维双赢性思维价值立场权衡性思维工程实施系统性思维工程评价工程设计工程实践图1 工程思维要素及其关系工程实践一般包含工程设计、实施、评价等环节，生产有价值的产品、促进社会和谐发展是人类进行工程实践的价值立场，引领工程实践的方向。价值性思维、双赢性思维是实现工程实践价值立场的保障。进行工程实践的目标是生产出对社会有用的物质，以满足社会的发展、服务人类的活动。实现这一目标，需要价值性思维的引领。另外，人类的工程生产不能破坏原有的和谐、平衡，要实现人与自然、人的个体之间、行业之间的双赢，这需要双赢性思维的引领。系统性思维、创造性思维是进行工程设计的核心思维。工程设计是运用专业知识结合工程目标及实际条件进行方案规划、部署、决策等活动，工程设计是否综合考虑了各种影响因素，是决定工程设计是否科学、合理，能否成功转化为现实的关键，因此，系统性思维是工程设计中的核心思维。另外，工程设计还要因地制宜，针对当地环境、资源分布、资金能力、人才水平等条件灵活变通，克服惯性思维，因此创造性思维也是指导工程设计的重要思维。权衡性思维、系统性思维是进行工程实施的基本思维。工程实施是将工程设计的构想推向现实的过程，需要评估工程设计与实际情况间的差距，根据成本、利弊进行统筹、协调，这需要权衡性思维的支配。同时，要对工程实施有整体把握，通盘考虑实施中的各个环节、各个方面，注重整体效益，这需要系统性思维的支配。系统性思维、创造性思维、权衡性思维、价值性思维、双赢性思维均为工程评价的重要思维。工程评价是对工程设计、工程实施及工程产品进行预测和评价，是对工程实践的全过程或部分环节进行评价反思。上述工程思维要素均在工程评价中发挥重要作用，是进行工程评价的重要思维。综上，价值性思维、双赢性思维有助于实现工程实践的价值追求，贯穿工程实践的各环节。工程实施是让工程设计变为现实的过程，即权衡性思维、系统性思维可将创造性思维的设想转化为现实。创造性思维30_2023.8【学术纵横xueshu zong heng三、基于化学课程的工程思维培养要求与内容载体1.化学课程目标中隐含的工程思维培养要求。普通高中化学课程标准（2 0 1 7 年版2 0 2 0 年修订)（以下简称“化学课标）是新课程教学和评价的依据，指引化学学科人才培养的方向。目前，化学课标没有明确提出“工程思维”相关概念和培养要求，但从课程目标来看，隐含了工程思维的培养目标。如“能从内因与外因、量变与质变等方面全面地分析物质的化学变化”隐含着系统性思维的培养目标；“养成独立思考、敢于质疑和勇于创新的精神”隐含着创造性思维的培养目标；“具有“绿色化学”观念和可持续发展意识”隐含着双赢性思维的培养目标；“认识化学对社会发展的重大贡献”隐含着价值性思维的培养目标；“运用已有知识和方法综合分析化学过程对自然可能带来的各种影响，权衡利弊，强化社会责任意识”隐含着权衡性思维的培养目标。可以看出，课程目标的实现，有助于学生工程思维的培育。2.化学课程中工程思维培养的内容载体。化学与生产、生活联系紧密，为体现化学学科的学习和运用价值，一方面，化学课程将与生产、生活紧密联系的化学知识确定为课程教学内容，这些内容与工程实践之间存在紧密关联，如物质性质及转化与工厂选址、储存运送、原料选择、流程设计、废物处理、产品规格等工程问题关联 1 0 ；化学反应原理与条件控制、设备工艺、流程设计、速率调控、产率提升、能源循环等工程问题关联【。另一方面，化学教材在编写时纳入了生产、生活中的素材。以鲁科版化学教材为例，教材将酸雨的防治、海水提溴、车用燃料、安全气囊、工业合成氨、利用工业废气中的二氧化碳合成甲醇、工业制碱等编入其中。可见，化学课程中的部分内容本身就来源于工程领域。另外，要培养学生的综合问题解决能力，往往需要创设问题情境，真实的问题情境为知识运用提供平台。由以上分析可知，化学课程的部分内容与工程知识相关，来源于工程领域，这为化学课程中创设工程情境、融入工程思维培养创造了条件。学生沉浸在工程情境中，扮演工程师、工程管理者身份，像专家一样运用相关知识分析工程问题、探讨问题的解决方案，在工程实践活动中提升学科素养和工程思维。四、化学课程中培养工程思维的路径设计在化学课程中培养工程思维，就是在真实工程情境下，让学生扮演工程师、工程管理者的身份，通过系统思考、对比权衡、沟通协调等思维活动探索出工程问题的解决方案，从而发展和提升工程思维。进行工程思维的培养，先要选择合适的素材载体，即素材挑选；确定素材载体后，需要围绕教学目标进行工程思维培养的教学方案设计；工程思维的培养最终是在预设方案的教学实践中完成的，因此，化学课程中培养工程思维的路径设计包含素材挑选、教学设计、教学实践三个环节（如图2）。选择选定素材问题图2工程思维培养的路径设计1.素材挑选：选择素材，选定问题。素材挑选就是在一定的原则下选择工程素材，并选定素材中的工程问题，收集教学资源，为教学设计做准备。素材挑选包括选择素材、选定问题两个任务。选择素材是指遵循真实性、包容性、目的性原则，选择合适的工程素材。真实性是指工程素材在社会中是真实存在的，而非虚拟构想，可以结合当地资源和文献资料开发、挖掘；包容性是指工程素材要蕴含较多的化学知识，体现化学知识、原理在工程领域的运用；目的性是指工程素材的选择应以服务工程思维的培养为目标，素材要能融入多种工程思维要素的培养。例如，笔者所在地附近有两座火电厂，火电厂烟气需要经过除尘、脱硫、脱硝等净化程序，达标后才能排放，烟气的脱硫、脱硝等工艺与物质性质及转化、速率、限度等内容相关联。选择火电厂烟气脱硫脱硝为素材，遵循了真实性、包容性原则；该素材可融入权衡性、双赢性、价值性、系统性等思维的培养，符合目标性原则。选定问题是指在确定工程素材后，分析素材中的工程设计、实施、评价等环节涉及的工程问题，剖析解决各工程问题所需的知识、原理，在遵循适切性、开放性、激发性的原则下，选定适用的工程问题。适切性是指工程问题中涉及的知识、原理要与学生的知识储备和认知时序匹配，并贴近学生的生活和经验；开放性是指工程问题要属于结构不良设计任务融入思维开展教学思维发展2023.8_31I学术纵横xue shu zong heng的问题，没有唯一答案，具有一定的思维容量；激发性是指工程问题要具有一定挑战性，能引起学生的注意，激发学生的思维。例如，修习完选择性必修1 后，教师可在火电厂烟气脱硫、脱硝素材中选定“脱硫、脱硝原理的选择”“工艺条件的设计”“烟气中SO2、NO x 的含量测定”等工程问题进行教学，该阶段学生已掌握无机物性质及转化、反应原理等相关知识，具备了一定的化学思维和方法，能进行相关工程问题的解决，遵循了适切性原则；这些工程问题有多种解决方案，体现开放性原则；解决身边陌生的工程问题能引起学生的兴趣，且具有一定的挑战性，体现激发性原则。2.教学设计：设计任务，融入思维。教学设计就是根据教学规律，将收集的教学素材设计成促进工程思维发展的可行教学方案，其重点是将工程问题拆解、提炼为恰当的工程任务，并在工程任务中融入可培养的工程思维。教学设计包含设计任务、融入思维两个方面。工程问题是边界模糊、复杂、陌生的，影响因素可能纵横交错。直接抛出工程问题，学生容易心生畏惧、不知所措，无法积极、高效参与到工程问题的解决中，因此，要先设计任务。设计任务是指将工程问题提炼或拆解为具有明确性、启发性、进阶性的工程任务。明确性就是工程任务要指向明确、界定清晰，必要时提供范围、前提；启发性就是指工程任务要引导学生“往哪儿想”“怎么做”，通过一定的思维活动后，能找到解决问题的思路和方法；进阶性是指将工程问题拆解成若干个工程任务时，各任务要层层递进，直指工程问题的解决。例如，工业合成氨是选择性必修1 教材中的素材，教师在教材内容的基础上继续拓展、挖掘，确定以“工艺条件选择与优化”“流程设计”“反应釜设计”三个工程问题培养学生的工程思维【1 2】，但这三个问题较为复杂，需要将其提炼或拆解为具体、明确的工程任务，必要时还需提供外部时空条件或背景资料等（如表2），以便学生能结合所学化学知识，调动思维，深度参与任务解决活动。表2 工业合成氨各工程任务及融入工程思维要素分析工程问题合成氨反应原理为：N2(g)+3H2(g)2NH(g)H=-9 2.2 k J/m o l，但从实验室工艺条件选择与研究到投入生产，用了1 5 0 多优化年，期间攻克了不少难题，难题之一是如何确定合成氨的工艺条件。在5 0 MPa、40 0 时，氨气的体积分数才6 0.6%，还有大量的氮气和氢气未反应，如何进一流程设计步提高原料气的利用率？在生产中要如何避免氨气的泄漏，块防止污染环境？碳素钢的强度高、硬度大、耐压性好，但碳素钢制成的反应釜，氢原子在高压下会钻进受热膨胀的碳素钢内部与碳反应，反应釜设计使反应釜内壁因龟裂而爆炸。熟铁可降低氢的渗透率，但质地软、强度低，制成的反应釜耐压性差。融入思维就是完成工程任务设计后，分析工程任务中可融入培养的工程思维要素，即完成工程任务与工程思维要素之间的匹配。教师可先根据各思维要素的内涵提炼出相应的关键词（如表3），再分析工程任务的解决路径，归纳解决路径中主要涉及表3中的哪些关键词，进而确定工程任务融入的工程思维要素。例如，合成氨工业中优化压强、温度、催化剂等工艺条件时，需要对比、权衡不同条件对速率、限度的影响，还要考虑生产效益、安全性等问题，该过程涉及比对、权衡、效益关键词，对应权衡性、价值性思维。对表2 中的各工程任务进行上述分析，可确定各工程任务可融入培养的工程思维要素。表3 工程思维要素及其关键词创造性系统性权衡性价值性双赢性思维要素思维创新、系统、对比、价值、绿色、关键词创造全面权衡效益3.教学实践：开展教学，发展思维。教学实践是将教学设计落地、将工程思维培养从理想转化为现实的核心环节，其主要目标是引导学生高效参与工程任务解决活动，并复盘活动全过程，发展工程思维。教学实践包含开展教学、发展思维两个任务。开展教学就是在教学设计的方案下，开展工程任务解决活动。开展工程实践教学时，为激发学生运用工程思维解决问题的积极性，工程任务根据反应速率、限度的影响规律，初步探讨合成氨的压强、温度、催化剂等条件的选择。综合速率、限度、成本、效益、安全等角度，确定合成氨合适的工艺条件。从反应后混合气体中分离出氨气的方法有哪些？工业上哪种方法更合适？有利于气分离，且避免环境污染，还能提高原料利用率的反应流程该如何设计？说说你的大致思路。利用碳素钢和熟铁的互补性，设计既耐高压又能防止龟裂的反应釜。思维思维思维思维要素权衡性思维权衡性思维价值性思维二权衡性思维双赢性思维2创造性思维创造性思维思维合作32_2023.8I学术纵横xue shu zong heng课堂组织宜采用讨论式：在引导学生独立思考工程任务解决方案的基础上，进行小组内、小组间讨论、辩论，最终总结工程任务解决的可行方案；课堂管理宜采用民主型：解决方案不是唯一的，要消除学生的心理负担，鼓励每个学生表达出自己的解决方案；活动过程要适时提供支架：教师密切关注学生的活动表现，当学生出现思维障碍时，教师提供适当的支架，引导学生积极、高效参与任务解决活动，使相应的思维活动真实发生。不同思维要素的培养所经历的思维活动不尽相同，例如，权衡性思维需要在对比、权衡等思维活动中培养、提升；而系统性思维需要在对问题任务的全面分析、考察和评价等思维活动中逐渐形成。因此，教师要关注各思维要素特点，开展相应的活动。经历了真实工程情境任务解决活动，工程思维已在学生的头脑中产生，但此时仍是隐性的、零散的，无法自主提取，也无法灵活运用。发展思维就是要充分发挥学生主体作用，通过问题引导、任务驱动等形式，引导学生思考、交流、评价，逐步完善工程思维的模型结构，具体步骤为：（1）复盘工程实践过程，即以问题、任务引导学生对工程实践活动的关键环节进行复盘，通过互动交流、归纳总结，唤醒初步形成的工程思维；（2）建构思维模型，即对工程思维要素进一步梳理、总结，并进行显性化表达，帮助学生归纳出工程思维要素“是什么”；（3）完善思维认识，即对工程思维要素的本质和认识过程进一步抽象、升华，指导学生理解各思维要素“有何用、何时用”。例如，合成氨温度、压强的选择，主要涉及的工程思维要素为权衡性思维和价值性思维，在完成相关工程实践后，教师可通过表4所展现的方式发展学生的工程思维。发展工程思维，就是要在意义理解的基础上，完善头脑中工程思维的结构，这是打通学生工程思维高质量培养的“最后一公里”，对整合零散的思维碎片及提升学生工程问题解决能力具有重要作用。表4发展工程思维步骤思维复盘工程实践过程要素驱动问题设置合成氨的反应中，综合考虑温度、压强对速率、权衡性思维的目标是1确定反应的温度、限度、安全、成本、效益等的在对利害关系的分权衡性压强时考虑了哪些影响，因素之间是相互牵制析、对比中，做出理日思维因素？最终确定合的的，需要从整体上权衡，最终智的选择；一般是在作用：对比、权成氨反应温度、压目目标是实现安全、高效的合成各种相互牵制的影响筱强的依据是什么？氨生产。原料为常见物质，容易获得，且氮气价格低；制得的氨是重要的氮肥，对提高农作物产量合成氨工业的价值有重要作用；工艺流程简单，价值性体现在哪里？选择生产成本较低等。压强时，最终为何思维从价值性角度分析，工业生产放弃“越高越好”要降低生产成本，创造最大化的想法？效益。压强太高，设备成本增加、设备工作能耗增加，生产效益降低。参考文献1 李卓洮高中生工程思维培养的活动设计研究 D兰州：西北师范大学，2 0 2 0.2贺全国，刘有势，李广利，等物理化学学科视域下跨界工程思维能力的探索J.广东化工，2 0 1 8 (3)：1 8 6-1 8 9.3李宏博，张云面向创新创业教育的“工程思维”课程建设初探C黑龙江省高等教育学会.黑龙江省高等教育学会2 0 1 6 年学术年会暨理事工作会论文集（下册）：黑龙江教育出版社，2016:4.47 邹国华，刘帅，蔡小蔓，等，化学教学中培养工程思维：内涵、必要性及实现途径J化学教学，2 0 2 0（8)：3-6，1 1.5王长江，盛洋，安秋，基础教育阶段的工程教育：目标框架与实施建议J.天津师范大学学报（基础教育版），2 0 1 9，2 0（4)：40-45.68 9 李永胜，论工程思维的内涵、特征与要求 J洛阳师范学院学报，2 0 1 5（4）：12-18.10 1 1 吴媚基于工程思维培养的高中化学教学研究 D.济南：齐鲁大学硕士学位论文，2021.12】邹国华，童文昭.以化工问题情境培养工程思维 J中小学实验与装备，2 0 2 1，3 1（2)：4-9.注：本文系教育部福建师范大学基础教育课程研究中心开放课题“基于“读思达的化学模型认知素养培养与评价研究”（KCA2022250）、龙岩市基础教育教学研究课题（JKYJX22-030）的阶段性成果。建构思维模型思维的提炼使用情形：多因多果、一因多果时，选择方案。衡关键要素，选中寻求平衡。择最优方案。价值性思维的目标是使用情形：不同生产对社会有价值的方案、途径影响物质并尽可能使生产房成本和效益时，效益最大化。其途径选择成本低、效是降低生产成本，优益高的方案。化生产系统。作用：降低成本、提高生产效益。完善思维认识2023.8_33