設計型學習視角下以化學教學培養工程思維的實踐

李月（江蘇省泰州市野徐初級中學 225326）

在當下開展學科教育不能僅關注書本知識，更要注重挖掘學科中的資源，培養學生解決問題的能力。初中化學學科與工程具備緊密的聯系，往往需要學生投入思考，通過動手動腦完成作品。因此，本文擬借鑒設計型學習的視角，探討以初中化學教學培養學生的工程思維。

一、相關概念概述

1.設計型學習

設計型學習，又稱基于設計的學習或設計中學，是一種面向設計實踐的學習形式，要通過設計完成任務。從學習目標上看，設計型學習指向學科素養的養成，不僅要鞏固相關知識，更要培養學生內在的素養。學生在設計型學習中獲得的素養，可遷移運用在其他學習與實踐情境下，令學生終身受益。設計型學習與初中化學的本質定位具有密切的聯系，是學科教學中基本的教學法，同時也是指引教學實踐的科學理念。從學習方法上看，設計型學習以一定的項目為依托，通過整合知識與應用的方式開展學習。福特斯（Fortus）指出，設計型學習以設計物品為出發點，提出基于設計的科學方法，其中的步驟可以包括確認情境、背景分析、形成觀點、建立作品等。從學習內容上看，設計型學習不是對已有知識的學習，而是要將學習過的知識與信息組合為新的構件，其中融入了思維的能動性。

2.工程思維

工程思維是人腦中的思維方式之一，是人們在進行工程設計、實踐過程中形成的一種思維方式，指人們在發現問題、分析問題和解決問題時使用的思維工具，其中包含多個要素。工程思維指向實踐，要為解決問題服務，指能夠根據實踐目標理順知識、組織思維活動的能力。工程思維主要包括：系統性思維，即從整體和全局出發進行思考的思維，強調關注各部分之間的聯系；籌劃性思維，即根據具體目標形成良好方案，厘清各個工作步驟并進行妥善安排的思維能力；創新性思維，指通過批判性、開放性的思考發現解決問題的獨特方法，并通過具體的工程步驟達成目標的思維方式；價值性思維，指主體除關注技術問題外，還要能夠明辨價值問題，如產品對人類生活的價值以及工程過程產生中的科學倫理問題等。具備工程思維的個體將能夠更好地應對現實生活中的問題，理解社會生產生活中的各種現象，適應現代社會對人才素質的要求。

二、設計型學習視角下以化學教學培養工程思維的實踐探究

1.挖掘教材資源，設計實驗方案

對實驗方案的設計是初中化學教學中的重要設計任務，具體包括對實驗步驟和實驗材料的設計。教師可以結合教材中的資源，引導學生自主設計實驗方案，并以設計過程培養學生的工程思維。

（1）立足實驗原理，開展設計

設計任何實驗都要從基本原理出發，符合科學研究的本質方法。對實驗原理的牢固把握，有助于培養學生的系統性思維和籌劃性思維，讓學生掌握工程的基本流程。在開展實驗設計時要以實驗原理作為基本的立足點，引導學生從實驗原理出發去安排實驗步驟以及選擇材料。例如，在《物質溶解過程中的能量變化》一節的實驗中，要求研究硝酸銨、氯化鈉和氫氧化鈉三種物質的熱量變化。教師先引導學生回顧以往開展實驗的經歷，對變化值展開研究，并讓多名學生回答問題。教師再進行歸納總結，提出“控制變量”的實驗原理，再讓學生思考問題：“在本實驗中，哪些量是變量，哪些量是不變量？在本實驗中如何控制變量？如何對實驗結果進行測量？”當學生了解了實驗原理后，教師再讓學生進行思考和交流，開展實驗設計。以上教學，有助于培養學生從整體與全局出發進行思考的習慣，幫助學生提升分析問題和解決問題的能力，發展工程思維。

（2）對比多種方案，明確差異

基于同樣的實驗目標可能產生不同的實驗方案，可能產生差異化的材料、步驟。首先，設計型學習的過程不是學生的機械操作，而是學生運用開放性思維展開探索、設計與實踐的過程。因此，在創設任務時要鼓勵學生沿不同的方向展開思考，設計多元化的方案。其次，教師引導學生對比多種方案、感受異同，提升學生對實驗設計的認識。例如，在滬教版教材第四章第二節《化學反應中的質量關系》中包含一個任務：請設計一個實驗，證明普通紙張中含有碳元素。在開展教學時，教師可以對這個實驗任務進行適度拓展，將其調整為如下形式：請設計一個實驗，證明普通紙張中含有碳、氫元素。對于本實驗，學生設計出了三種方案。

方案一：將點燃紙張后的氣體通入澄清石灰水，然后再通過無水硫酸銅，發現澄清石灰水變渾濁，無水硫酸銅變成藍色，證明該氣體內含有二氧化碳和水，從而證明紙張中有碳、氫元素。

方案二：將紙點燃，火焰上方罩一個干冷的燒杯，如果燒杯內壁出現水霧，則表明紙中含有氫元素；將紙點燃，火焰上方罩一個內壁涂有石灰水的燒杯，如果燒杯內出現渾濁，則表明紙中含有碳元素。

方案三：將紙點燃，在火焰上方罩一個干冷燒杯，如燒杯內壁現水霧，表明紙中有氫元素；向杯內注入少量澄清石灰水，振蕩，石灰水變渾濁，表明紙中含有碳元素。

教師引導學生對比三項方案，從準確性、時長以及耗材三方面對設計方案進行評估。最終，學生提出“方案三”為最佳方案，其既可保障實驗正確性，又能夠節省材料。本次學習活動有助于培養學生的籌劃性思維、價值性思維，讓學生學會根據具體目標選用合適的材料，并從各方面進行價值評估，提升學生應對實際問題的能力。

2.制定具體目標，設計實用裝置

對實用裝置的設計更多地突出了動手操作的要素，要求學生能夠正確處理生活中的各種物質和材料，將其有計劃地進行裝配以發揮特定的功能。此方面的設計可以培養學生的工程思維，能夠讓學生掌握產品設計與產出的規律。以下結合“設計污水凈化器”的活動，探討設計型學習。

（1）思維引領，有序設計

科學實踐活動應以清晰的思維引領，認知的正確性是保障設計有效性的前提。實用裝置設計活動的最終目標是要創造具體的物品，但出發點則具有條理性和創新性的思維。在“設計污水凈化器”的活動中，教師引導學生開展三個步驟的思維活動。首先，明確凈化的原理，除去水中的固體雜質和懸浮物，消毒，除異味；其次，根據凈化的原理確定適宜的凈化材料和裝配方式，明確過濾層的結構；最后，明確實驗中其他輔助材料以及材料的裝配方法，畫出設計圖，再列出凈化步驟。其中前兩個環節在課堂中完成，教師通過問答法和講授法讓學生厘清思路，獲取答案。對于第三個步驟，則讓學生在課后通過小組合作的方式完成。教師鼓勵學生在小組內展開討論，思考各種細節，如怎樣給污水消毒、如何讓污水從凈化器中流出、準備哪種容器回收用材等。以思維活動引領設計過程，可以讓學生懂得每個步驟的由來，同時養成縝密的思維習慣，學會圍繞目標進行規劃，發現適應現代社會必不可少的工程思維。

（2）實踐應用，反思評述

陶行知先生曾經提出“教學做合一”的思想，認為“教學做是一件事，不是三件事”，“教”和“學”應統一于“做”。在“做”的活動中可以加深“學”的深度，“教”的活動也將獲得新的著力點。只有當個體參與實踐時，才能夠了解影響事物的各個因素，收獲個性化的感悟與經驗。在將知識應用于實際生活時，學習者會對知識本身產生更深的認識?！霸O計污水凈化器”活動的最后一個環節是將污水凈化裝置投入實踐，應用它凈化污水，即“做”的環節。在此環節后，教師要引導學生根據動手操作的結果進行反思與評述，總結設計經驗。一方面，要總結正面的經驗，歸納開展設計型學習的要點，提煉科學實踐的規律；另一方面，也要關注“做”的過程中產生的誤差，開展回溯性思考，從錯誤中學習。在設計活動的初期，學生對成果往往有理想化的期待，開展活動時，卻會發現一些意外情況。如有的學生發現水仍然有些污濁，可能源于初期未能“緩緩倒水”，導致過濾層被沖散；有的學生沒有使用明礬處理污水，導致水中有一些顆粒物與水分離不足等。教師可以向學生派發《設計型學習活動報告單》，讓學生總結實踐學習的經驗，讓學生總結本次工程任務實施前后的事項，明確工程設計的注意事項，并發展工程評價能力。

3.關聯實際生活，設計問題解決方案

應用化學知識可以解決實際生活中的問題。教師可以從實際生活中提取具體問題，引導學生設計問題解決方案，如滬教版教材《氫能》一節中展示了用光伏板吸收太陽能，再用太陽能電解水制取氫氣，然后轉變為電能與熱能的過程。教師可以創設討論活動：“請你設計出其他儲存太陽能的方案?！北敬卧O計型學習活動無須進行動手操作，不要求使用材料外化為人工制品，教師主要引導學生從科學的可行性上考慮，結合自己的化學知識推理。課中交流討論，學生在四人小組內展開討論，從多向度展開思考，生成多種設計方案。教師再讓學生分享自己的觀點，如利用某些有適合熔點和較大熔化熱的物質，白天在陽光照射下熔化吸熱，夜晚凝固放出熱量；利用太陽能發電，再將其存入蓄電池等。對問題解決方案的思考可以培養學生的科學想象力，讓學生發展工程思維中必不可少的創新性思維。

三、結語

基于設計型學習理論開展初中化學教學，符合化學科學的本質規律，運用于實踐中具有旺盛的生命力。初中化學教學中的設計型學習活動具有實踐性，與具體的問題息息相關，要求學生活用知識解決問題，有助于培養學生的工程思維。教師要多立足化學課程與生活之間的關聯開展教學，創設不同的設計任務，讓學生親歷解決實際問題的全過程，進而在此過程中收獲豐富的思維體驗，發展工程思維，提升學科核心素養。