化學教學中培養工程思維的必要性及實現途徑

王 斌

(泰州市高港實驗初級中學,江蘇 泰州 225000)

1 培養工程思維的內涵

化學是一門與生活、生產、社會緊密聯系的古老而富有生命力的科學,它的開展對于推動中國科技的發展和經濟社會的發展產生了重要的影響.人們從原子和分子角度探索新事物,歸納自然法則,其目標不只為了揭示物質世界的秘密,也是為了提高人們的生存水平,保護人們的身體健康,推動社會的文明進步.將科學技術運用于實際生產與生活之中,是化學探索的最終目的,它也反映出化工學科存在的必要價值.在工業生產中應用化學學科的知識包括:選擇和控制工藝條件、評價經濟效應、廢物的再利用和處置.

思維是指解決問題的認知過程,是人的一種更高層次的認識行為,它間接、概括地反映客觀事物的性質和內部關系.工程思維是一種特殊的思維表示方式,它具有深刻性、靈活性、邏輯性等基本思維特點,工程思想還具有與思維總體特性相區別的突出特點,要對工程思維進行深入的認識,就必須明確其與科學和藝術思維之間的聯系與區別.

1.1 創新的工程思維

創新是工程思想最基本的特點,它的根本含義是發明、創造、建造、設計,其實質是創造“現實產品”,是由一系列的工程實踐活動所創造出來的.這并不是一種量的變化,而是隨著時間的推移發生質的改變.這就需要學生和實踐者從設計、預設的起點開始,在實踐中,通過直覺和靈感的結合,在頓悟中創造出創造性的質變.創新思維在一定程度上是一種非邏輯的、非線性的思考方式.在實踐中,人們不僅要進行綜合和分析、演繹和歸納、分類和比較等邏輯思考,更需要直覺、直觀、想象、經驗、靈感、洞察力、頓悟其他非邏輯思考的功能,以達到創新的目的.

1.2 有情景的工程思維

情景是人在特定的行為中所處于的特定的環境中,它包含了機體和外部的環境.工程實踐是一種與特定“個別對象”緊密相連的、具有強烈的“情境依賴性”的實踐活動,它直接面對并依賴于“事實情境”,其屬性主要包括背景、知識和行為三個方面.同時,工程思維還必須具備特定的情境思維,不能與具體的地點、時間、空間和環境相分離,這也為個體思維和創新思維的發展創造了條件.

1.3 系統的工程思維

在化學教學中,工程思維和科學思維有著密切的聯系.需要明確化學在自然科學領域,工程思維的內涵、培養跨學科概念和核心思想、科學與工程實踐三個維度,明確科技與工程專業的學習目的等方面的內容.在工程實踐中,常常伴隨著一個科學的探索階段,這個階段既需要發現,又要重視創新.創新需要科學的支持,只有掌握了科學的原理、方法和技巧,才能激發出創意和靈感.在工程實踐中,創造性思維也是邏輯和想象力相結合的表現,而藝術思考的關鍵是要把想象力和思想完美地結合起來,可以將工程思維定義為:將科學和經驗的知識應用到建筑項目、機器和材料的設計和生產中,或完成對人類有益的項目.

2 提高工程思維的重要意義

2.1 為工程建設提供思想指導

工程思維是一種用于處理復雜的實際問題的思考方法,這一點很重要.工程的兩個核心就是專業知識和工程思維,工程技術思想能夠對復雜的工程技術課題提出思路與途徑,同時又能夠運用于具體的實際中的復雜方面.

2.2 工程技術思維的訓練對課程內容的教學產生著積極影響

以化工材料為媒介,探究科學家與工程師的工作,厘清課本與技術之間的差異和關聯,可以更加深入地認識學科和工作領域的關系和作用,進而調動他們的興趣,引發他們的好奇心,促使他們對該領域不斷了解,加深對學科知識的理解.

2.3 培養工程思想,有利于助力學生創新能力的培養

工程思想以科研探究為手段,以工程實際情況為基礎,以問題求解為目的,通過對項目的系統性和權衡,使學生在復雜的工程環境中解決問題、團隊合作能力等方面的能力逐漸增強.當然,培養工程思維,也是為國家培養科研人員、高級從業人員的需求.在化學學科的核心素養構成要素中,工程學思維因素與其內涵存在著許多重疊點,培養工程思想也是培養學科核心素質的必要條件.

3 培養工程思維的實現途徑

科學與工程學是相互交叉、相互聯系、相互融合的,是人們理解和解釋世界的一種理論和法則.科學探索的總體過程包括:發現問題、提出假設、提出問題、解釋、實驗和檢驗、表達和反思;在工程建設中,“結構不良”“邊界模糊”等問題都是在實踐中不斷地進行優化,并通過實際問題的求解來實現.工程實踐的總體流程包括:目標和問題的確定、問題的初步解決、工程方案的測試、工程方案的迭代優化.實質上,這兩種方法都是針對特定情景的解決,都是以特定的方式來解決的.

以設計為基礎的教學模式,有利于培養學生的工程思維,在實施這一教學模式時,需要包括以下幾個方面:選擇適當的工程方案;為學生提供特定的教學材料;探討工程問題的求解方法;學生們的計劃、執行、修改、溝通、評估.以設計理論為基礎,構建了一套適合于工程思維的教學模式.該模式包括以下步驟:創建情景、明確任務、架橋、連接、設計、執行、修正、交流、評估、總結.本文通過運用工程問題的解題范式,對化學問題的解決進行探討,以培養學生的工程學思考能力,這與設計創作的方法有些區別,但其教學模式卻是可以參考的.

科工一體化是培養學生工程思維的一條行之有效的途徑.在此基礎上,以工程為基礎,結合科研活動,學生可以通過這種綜合獲得提高.以工程實踐為基礎的教學方式是當前比較普遍的一種方法,通過對工程決策、工程設計、工程實踐、工程評估等的教學實踐,對學生進行創新思維、共贏思維、系統思維、規劃等方面的訓練.在工程實踐活動中,可以從學生、工程、活動、教師、任務角度進行設計.

第一步:情景提問,決策任務.這是一個工程任務的決策過程,完成問題定義、調查研究、規劃等;教師以實際情景引出問題,并引導學生做出相應的決定.項目決策的基本內容有兩個:一是確定項目的總體目標;二是對整個工作過程進行整體的規劃,該系統包含了哪些模塊、將要完成的工作以及可以按照項目的要求來確定合理的解決方法,該流程應該是一個循環型和非線性的.在任務決策的過程中,教師只能起到指導作用,而不能起到替代作用.學生是決策的主體,他們能夠獨立地規劃和決定項目的總體目標和項目過程.

構建工程情景具有重要意義,是培養學生的工程思維的根本.使學生對所要解決的工程問題有清晰地認識,并能引起他們的興趣.

這一過程必須具有真實性、開放性、啟發性和適切性.真實性原則,是指教師把化學原料當作工程工藝環境的主體,所處理的事情必須有實際、有價值;開放原則是指被設定的作業必須符合“結構不良”或“沒有清晰界限”,需要通過探索來尋找答案;啟發性是所創造的情景能夠幫助學生進行探究解題,啟發學生利用已有的知識與技巧來模仿工程師解決工程問題;適切性是指在設計環境時,要充分考慮到學生的人生體驗和認識程度.而工程問題通常是復雜的,需要有合適的條件限制和指導.

第二步:組織合理,整體設計.這是一個項目的設計階段.根據作業的特點,設計出特定的探究活動和探究點,包含材料、信息資料、先行認知知識等.教師協助學生搜集材料、整理遺漏的知識、協助修正、調整等.這一環節的設計,主要是對設計進行調整、優化,以提高整體設計的合理性和價值.在工程中遇到的問題常常是“結構不良”或者“邊界模糊”,這對于學生來說是很困難的,因此要把工程工作分成幾個研究項目,每一項探究活動都可以按要求分解成幾個任務,這些任務既可以明確地界定出哪些思考因素可以被包含在教學中,而且可以幫助學生找出問題所需的支撐信息.這里的構建橋梁包括兩個方面的含義:一是要打通“工作”和“思維”的障礙,在工程思維和任務的思考環節之間建立起一種連接;二是為解決工程問題提供必要的知識和技巧,為任務解決建立起信息的橋梁.

第三步:探索和優化設計.這一環節是項目的執行.根據所制定的計劃、任務和活動,進行探究性的練習.教師解答問題,幫助學生突破難點,解決疑點,并通過實驗驗證,確保方案的可行性.在解決工程問題的過程中,可以開發和提高了工程思維,通過對現有的知識與技巧的綜合分析,探討具體問題、解決方案、研究設計方法、驗證工程合理性的能力,要求教師能夠培養學生處理具體問題的能力,并掌握工藝設計的理性和方法.這一過程是學校開展工程思想教學的一個重要環節,教師應作好探索式研究的主要指導者,要研究具體的工程課題.引導學生用工程學的思路去探索,并逐漸修正和改進.

第四步:進行診斷,實施評估.這是一個工程評估的環節.學生們在課堂上展示自己的作品,并與大家分享自己的學習成果.教師組織溝通、診斷、評估,并據此提出改善的對策和計劃.評價的主要任務,就是通過反饋、調節和改善教學課程,從而提高學生思維能力的工程教育,而評價的重點并不在于對學生的項目設計方案的科學解答,而在于對其學業成績中所反映的工程思維能力有所了解.