化學教學中工程思維的內涵及培養

摘? ? ? 要 化學教學中應對工程思維內涵及其培養形成基本認識。工程思維除思維的一般特征外，還具有有創新性、情境性、系統性等顯著特點。工程思維的培養應注重化學教學中工程思維培養的著力點，化學教學中工程思維培養的實施路徑，化學教學中工程思維培養的能力要素，化學教學中工程思維培養的評價指標四個方面。

關 鍵 詞 化學教學? 工程思維? 工程實踐? 價值思維

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

工程思維已是當今科學類課程中一個熱詞，培養工程思維在化學教學中已凸顯其重要性。化學教學的科學思維重視的是科學探究過程和方法，通過科學探究活動與科學思維發現科學規律與定律等。而工程思維正是以具體的某個實際問題為驅動框架，要求學生在任務的驅動下通過合作、探究等方式解決實際問題，體現了創新能力與創新精神。在化學教學中如何理解工程思維？它與科學思維是怎樣關系？如何把握在初中階段工程思維培養的度？這些問題我們需要理清理順。

一、工程思維的內涵及特征

思維是指向問題解決的認知過程，是人類的高級認識活動，是對客觀事物的本質及其內在聯系間接和概括的反應[1]。工程思維則是思維的一種具體表現形式，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，要認真理解工程思維，還必須理清它與科學思維與藝術思維的關系。

1.工程思維具有創新性

創新性是工程思維的最基本特征，工程思維的基本內涵就是創造、發明、設計和建造[2]，其本質就是通過一系列的工程實踐活動“創造”出“現實產品”[3]。這種創新性不是單純隨時間積累的量的變化而產生的質性改變，它往往要求學習者和實踐者在實施過程中從預設和設計的起點出發，在實施過程中伴隨著直覺與靈感，從頓悟中產生創新性質變。某種意義說，創新性思維是一種非邏輯性和非線性思維。人類在實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，還需要經驗、直覺、想象、直觀、靈感、頓悟、洞察力等非邏輯思維發揮作用，從而實現創新性活動。

2.工程思維具有情境性

情境是一個人在進行某種行動時所處的特殊背景，包括機體本身和外界環境因素。工程實踐是面向具體問題的實踐活動，它與具體的“個別對象”聯系在一起，有很強的“情景依賴性”[4]，它是直面和依靠“事實情境”的?！笆聦嵡榫场本哂?大屬性特征：背景屬性、知識屬性和活動屬性[5]，同時決定了工程思維也應具有一定情境性的思維，不能脫離特定的時間、地點、空間與環境，也為個性思維與創造性思維提供了發展條件。

3.工程思維具有系統性

工程思維體現出的是“系統創新”，體現“系統即創造”的思想[6]。一是涉及多個領域豐富的知識，如科學知識、技術知識、數學知識、社會知識和人文知識等，它們相互滲透、彼此整合、共同促進;二是調用多種方法與思維，它是多種方法與思維的綜合與整合，是科學思維、工程思維、藝術思維及人文思維的相互綜合;三是多種因素綜合評價，工程問題常涉及“結構不良”和“無明確邊界”的問題[7]，應運用系統性思維綜合思維，細節分析與整體綜評相結合，價值性分析與雙羸性分析相結合，地理因素與人為因素相結合，權衡性及風險評估等相結合。

化學教學中科學思維與工程思維是緊密關聯的兩種思維。美國《下一代科學標準》（NGSS）明確了跨科概念與核心概念、科學與工程實踐共同構成了自然科學領域有效學習的3個維度，明確了科學與工程實踐的學習目標等要素。工程實踐過程往往伴隨著科學探究過程，此過程不僅需要“發現”，更注重“創新”，創新需要科學的支撐，在深諳科學原理、方法與技能的基礎上，才會迸發出個性化與創新性的靈感與直覺，工程實踐過程中創新性思維還體現出邏輯與想象的有機結合，而藝術思維的核心就在于想象與思維的完善結合，可以把工程定義為：“把科學知識和經驗知識運用于設計制造或完成對人類有用的建設項目、機器和材料的藝術”[8]。

二、工程思維培養的實踐

工程思維的價值性立足于可行性、可操作性的實踐，在實踐中培養實然與應然、經驗與超驗、現實與理想相統一的實踐性思維，體現了“吾造物故吾在”的精髓[9]。認識論的一般過程為實踐-認識-再實踐，培養的過程就是思維認識與再認識的過程，培養的過程就是實踐的過程，實踐過程中會伴隨著直覺與靈感的迸發，創造性思維應運產生。

1.化學教學中工程思維培養的著力點

從美國新科學標準制定的演變過程來看科學與工程實踐的發展：1996年，美國頒布了第一套《國家科學教育標準》，在實施過程中暴露出一些不足，如課程內容結構較松散，不夠聚焦，學生的實踐能力不強。2011年美國頒布了《K-12年級科學教育的框架：實踐、交叉概念以及核心觀念》，核心理念是學生運用科學知識及跨學科的概念加深對科學和工程實踐知識的理解和運用[10]。2013年美國頒布了《新一代科學教育標準》，將科學和工程實踐、核心概念和跨科概念進行有效整合，形成學習的三維框架體系。這也是首次將科學與工程實踐整合進了基礎教育，突出了科學和工程實踐的位置，促進了科學與工程的有機整合，著力培養學生的創造思維能力。

隨著全球掀起科學和工程實踐等課程改革的風潮，我國的工程思維培養也逐漸進入了基礎教育階段，《義務教育小學科學課程標準》和《普通高中通用技術課程標準》在內容中首次加入技術與工程領域。課程標準中提出：工程技術的關鍵是設計;工程是運用科學和技術進行設計、解決實際問題和制造產品的活動。工程思維是一種高階思維，對于提高學生的核心素養意義重大。對于基礎教育階段化學教學中工程思維培養的著力點和側重點的問題，國內外相關文獻都有研究。美國國家工程院（NAE）在《K-12教育中的工程：理解現狀和提升未來》中對工程思維的定義是：工程思維是工程的“思維習慣”，具體包括系統思維、創造力、樂觀、合作、溝通交流、倫理考慮等[11]。我國教育部在《普通高中通用技術課程標準》中對工程思維的定義是：工程思維是以系統分析和比較權衡為核心的一種籌劃性思維。我國研究者普遍認為，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[12]。gzslib202204011728

從國內外相關課程標準的制定演變過程看，從基礎教育階段科學和工程實踐中思維能力的具體要求觀察，化學教學中的工程思維并非是工程領域中的工程思維，而應是培養學生在真實問題境域中，運用系統性、籌劃性等思維權衡解決問題的思維方式和習慣[13]。

2.化學教學中工程思維培養的能力要素

化學教學中培養工程思維有助于促進學生工程實踐能力的發展。工程能力就是在工程決策、工程設計、工程實踐與工程評價過程中通過工程思維的培養而形成的關鍵能力。

（1）工程決策階段發展工程決策能力。主要表現為：根據真實的工程情境，創造性提出有價值的任務的能力;能夠聯系工程情境，結合問題，從多角度分析任務要素，發展全面系統考慮問題的能力;通過合作探討，制定出切實可行的解決方案，發展學生交流與合作以及綜合權衡的能力。

（2）工程設計階段發展工程設計能力。主要表現為：靈活運用所學的知識與技能設計模型、活動，發展學生的科學思維能力;在設計過程中采用分析與綜合、分類與類比、歸納與演繹等方法發展學生的探究能力;運用反思與質疑等手段與方法對設計進行修改，發展學生的質疑創新能力。

（3）工程實踐階段發展工程實踐能力。主要表現為：敏銳的觀察能力和分析能力，敢于接觸實際、提出問題和解決問題的動手能力;在設計過程采用多種思維能力，以及處理工程實踐問題時所需要的協調、合作能力;探索對方案的迭代優化，發展學生的質疑優化能力。

（4）工程評價階段發展工程評價能力。主要表現在：依據工程任務與目標準確理解的評價能力;通過綜合設計方案的可行性、科學性和創造性等因素，發展學生的評價能力;實踐中對邏輯思維能力、動手操作能力及合作等進行綜合評價，對形成的實驗結果多角度綜合評價。

3.化學教學中工程思維培養的實施路徑

科學和工程是相互交叉、關聯、整合的，科學是認識世界與解釋世界的理論與規律，是人類試圖了解自然界、探究新知識的方法?？茖W探究的一般過程是發現問題、提出問題、做出假設、進行實驗、解釋與檢驗、反思與表達等;工程主要面對“結構不良”和“無明確邊界”的問題，是通過解決實際問題，不斷迭代優化方案的實踐過程。工程實踐的一般過程是確定目標與問題、初步設計問題解決方案、測試工程方案、迭代優化工程方案等。從本質上講，兩者是同屬于解決一個具體情境問題的過程，都是指向具體問題解決的[14]。

科工整合是化學教學中工程思維培養的有效實施路徑。唐小為等對國內外30多個科工整合案例進行編碼分析，從科工整合的目的、兩者所占的比重和組織關聯方式三個維度出發，提出了科學與工程整合的三種具體教學實施思路：應用延伸型（工程設計為主）、工程框架型（工程與科學并重）、設計探究型（科學探究為主）[15]。在唐小為的研究基礎上，占小紅從科學探究與工程實踐的整合過程模式角度，建立了以科學探究為主、工程實踐為主、科學探究和工程實踐并重的三種整合的主要教與學模式[16]。通過對三種教學模式中整合的目的、兩者所占比重及組織關聯方式進行剖析，“應用延伸型”重在培養學生的工程思維，科學探究作為工程設計的支撐或依據;“工程框架型”則將科學探究的成果運用到工程設計中，兩者過程相對獨立;“設計探究型”則以工程設計為手段，科學探究為主線，工程設計幫助探究得出規律[17]。

Apedoe等在課程實踐的基礎上明確指出，以工程為框架結合科學探究活動，學習者可從這樣的整合中得到提升[18]?；诠こ虒嵺`為主的教學模式是目前較為常用的實施途徑，師生通過工程決策、工程設計、工程實踐和工程評價等活動，培養學生的籌劃思維、系統思維、創新思維和雙贏思維等。在工程實踐活動中，工程思維培養的設計可從工程視角、學生視角、教師視角、活動和任務視角等方面展開，具體的模型建構如圖1所示。

環節一：情境引問，任務決策。此環節為工程任務決策階段。學生完成界定問題、調查研究和制定計劃等;教師通過真實情境引問，提出有價值的問題，引導學生作出相關決策。工程決策主要完成2個方面的決策：一是確定工程任務總目標;二是進行任務流程總體設計，包括哪幾個版塊，將完成哪些任務，能夠根據工程任務制定出合理的解決方案，此過程設計流程應是循環的而非線性的。任務決策階段，教師只能是引導而不能代替決策，決策的主體是學生，其自主對工程任務的總目標和工程流程進行規劃和決策。

環節二：先行組織，整體設計。此環節為工程設計階段。學生針對任務設計具體活動及探究點，包括素材和材料、先行認知知識、信息資料等;教師幫助學生收集資料，梳理缺失知識，幫助修改和調整設計等。此環節主要通過搭支架，優化和修改設計，使整個設計更合理、更有價值。

環節三：探究實踐，優化設計。此環節為工程實施階段。學生針對制定的方案、任務及活動，實施探究實踐;教師答疑解惑，幫助學生在實踐解決問題的過程中突破難點、解決疑點，同時對方案測試檢驗，保證方案的可行性。

環節四：實施診斷，表現評價。此環節為工程評價階段。學生展示作品，分享成果;教師組織交流，實施診斷，對學生表現評價，定性與定量相結合，在此基礎上提出改進的措施和方案。

4.化學教學中工程思維培養的評價指標

布魯姆認為教學評價有收集證據、實施診斷和反饋矯正三種功能[19]。通過反饋、矯正及時調整、改進教與學，促進學生工程思維的培養。鄒國華等認為，評價的對象不是學生最終設計的方案或答案，而是學生表現所反映的工程思維水平[20]。可按工程的幾個階段將工程思維水平劃分為工程決策思維水平、工程設計思維水平、工程實踐思維水平等，根據學習進階理論將其水平劃分為幾個等級，從而對工程思維進行評價（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、系統性思維、價值性思維等，將每個工程思維的要素按照水平劃分為幾個等級進行評價（見表2）。gzslib202204011728

在化學教學中滲透工程思維教學很有必要且十分重要。在化學課堂教學中需要不斷地探索工程思維培養與實施的途徑與方式，架構工程思維培養的教與學有效模式，切實為培養與提高學生的化學核心素養作出不懈的努力。

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