融入工程思維的初中化學教學研究

摘 要：工程思維是初中化學項目式學習策略的指導性思維，也是核心素養(yǎng)中的關鍵要素。筆者基于工程思維的教學策略，強調以學生為教學主體，通過工程分解、團隊協(xié)作的方式來解決真實世界中的某一相對復雜的任務，進而培養(yǎng)學生的知識應用能力、思維遷移能力。同時，對工程思維的內涵進行了辨析，并結合教學經(jīng)驗對初中化學中應用工程思維的優(yōu)勢進行了梳理，在此基礎上，以滬教版初中化學“水的組成和凈化”教學為例，設計方案并實施，旨在提高學生的學科素養(yǎng)與工程思維。

關鍵詞：工程思維；水的組成和凈化；設計型學習；初中化學

中圖分類號：G632"" 文獻標識碼：A"" 文章編號：1008-0333（2025）14-0127-03

收稿日期：2025-02-15

作者簡介：顧后鵬，本科，一級教師，從事化學教學研究。[FQ）]

新課程標準強調實際操作經(jīng)驗的積累，要求學生通過直接參與實踐活動來構建知識體系、提高核心素養(yǎng)，并增強運用所學知識解決實際問題的能力。這無疑對學生運用工程思維的能力提出了更高的要求。

1 工程思維的內涵辨析

“工程”一詞在人類文明演化史中扮演著舉足輕重的角色，從人類早期的茅草屋到現(xiàn)代的智能樓宇、從獨輪車到如今的載人航天工程，每一項工程都可以被稱為人類發(fā)展史上的壯麗篇章。從底層邏輯上來看，工程是人類為了改善生活條件和促進文明發(fā)展所進行的一系列對自然環(huán)境的改造和利用，是一種具有明確目的性和計劃性的勞動。這種勞動可以分為三個階段，即規(guī)劃設計階段、項目實施結算和成果消費階段。而工程思維則是在人們進行各類工程活動的過程中總結出來的相對成熟的經(jīng)驗成果，是一種降低工程風險、提升工程效益的思維模式[1]。新課程標準強調，在初中化學教學中要引導學生以基于事實、嚴謹務實的求知態(tài)度，通過科學方法形成認識事物和解決問題的思維習慣和能力；還要使學生具備從日常生活現(xiàn)象出發(fā)，提煉出與我們息息相關的科學問題，并通過可行的技術手段探究現(xiàn)象與規(guī)律本質的能力。工程思維涵蓋了創(chuàng)新思維、技術思維、理性思維等若干思維體系，如圖1所示。

創(chuàng)新思維對于推動個人成長、組織發(fā)展乃至國家科技進步和經(jīng)濟增長都發(fā)揮著至關重要的作用。在我國，這種思維方式被視為實現(xiàn)高質量發(fā)展和構建現(xiàn)代化經(jīng)濟體系的關鍵能力，是貫徹國家發(fā)展戰(zhàn)略的重要環(huán)節(jié)。

技術思維則是人類在解決生產(chǎn)、生活中的技術問題時特有的思維活動，其核心在于對現(xiàn)有事物的改造和改進，涉及技術設計和發(fā)明等過程，包括需求分析、技術反思、技術原理、技術構建和技術系統(tǒng)等環(huán)節(jié)。

理性思維是一種基于邏輯、證據(jù)和客觀事實的思考方式，它通過分析和推理來正確理解和有效解決問題。這種思維能夠幫助我們避免偏見和情感干擾，全面考慮相關信息，保持清晰的思考。

以上三種思維在科學、技術和工程的不同社會實踐中有不同的表現(xiàn)，它們在思維的起點、主體、動力、路徑以及成果表現(xiàn)上都有所差異。工程思維的創(chuàng)新和發(fā)展推動了工程實踐的進步，豐富了工程科學的內涵，并以此為基礎拓展了科學思維成果，進一步推動了科學思維的發(fā)展。技術作為工程實施的手段，工程創(chuàng)新過程中必然伴隨著相關技術的創(chuàng)新，從而推動技術思維的創(chuàng)新發(fā)展。總的來說，這三種思維緊密相連、相互依存、相互滲透并相互促進。

2 初中化學教學中應用工程思維的優(yōu)勢

2.1 促進理論與實踐的結合

工程思維的核心在于將抽象的理論知識與具體的實踐操作相結合[2]。工程思維強調從問題的識別、分析到解決方案的提出這一完整過程。在化學學習中，這種思維方式促使學生在面對化學難題時，能夠更加系統(tǒng)地識別問題所在，如在實驗中出現(xiàn)異常結果時，學生可以運用工程思維來分析可能的原因。

2.2 提升系統(tǒng)化思維能力

工程思維要求學生在考慮問題時具備全局觀和系統(tǒng)觀[3]。在化學學習中，學生需要從宏觀和微觀的角度去理解化學反應。在學習酸堿中和反應時，學生不僅要了解酸和堿的性質，還要考慮反應的濃度、溫度、催化劑等因素對反應的影響。通過培養(yǎng)系統(tǒng)化思考習慣，學生能夠更全面地掌握化學知識，形成對化學現(xiàn)象的深入理解和綜合運用能力，這對于他們未來的學習和研究都是極其寶貴的。

2.3 培養(yǎng)跨學科設計能力

學生在化學學習中，通過工程思維的引導，可以更加科學地設計實驗方案，既能遵循實驗原理，還能創(chuàng)新實驗方法[4]。這種能力的培養(yǎng)有助于學生在面對新的化學問題時，能夠創(chuàng)造性地提出解決方案。

3 基于工程思維的教學設計與實踐

在滬教版初中化學九年級上冊“水的組成和凈化”的引入部分提到了水是我們生活中最熟悉的物質之一。說其熟悉是因為人體構成中大部分物質是水，人們每一天都需要與水打交道，但是，學生從未從化學角度去研究水的具體組成。教材中這部分的內容適宜進行工程思維的引入。

3.1 教學目標

教材中該部分包含了探究水的組成、水的凈化、水資源的綜合利用三節(jié)內容。因此，本次工程項目的目標也應該以此為基準進行分解。

在“水的組成”部分，教材中直接從化學的角度去定義水，實驗設計環(huán)節(jié)也是電解水與氫氣、氧氣的燃燒。因此，學生在學完該節(jié)內容后普遍認為水的凈化是一個很簡單的工程，難以樹立起水資源保護意識。為此，該章節(jié)設計如下教學目標：（1）第1組學生采用教材的方法對池塘中的水進行凈化處理；（2）第2組學生去飲用水廠調研飲用水的凈化方式以及出廠標準；（3）第3組學生去高校實驗室搜集實驗用水的相關標準；（4）當前3組學生的任務都完成后，教師帶領學生對第1組學生的實驗結果進行檢驗，評價采用教材上的方法凈化后的水能否達到飲用水的標準和實驗室用水的標準。通過該過程，學生能夠初步了解水資源保護的必要性，樹立起環(huán)境保護的思維。

3.2 項目的實施設計

步驟1：采用自由組隊的方式，將全班同學分為3組。第1組學生主要負責的任務為獲取池塘水并組裝凈化裝置來對池塘水進行凈化。第2組學生前往就近的自來水廠，在工作人員的帶領下參觀飲用水的凈化處理流程，了解飲用水的來源、凈化體系、凈化設備、執(zhí)行標準等。第3組學生在教師的帶領下，前往附近高校的化學實驗室，探究實驗級的水在化學實驗中的應用領域；實驗室內“輕水”“重水”的區(qū)別及其應用差異；實驗級用水的執(zhí)行標準。

步驟2：情境創(chuàng)設，提出問題。對于第1組的學生，教師創(chuàng)設如下情境：學校食堂今天停水了，廚師做飯沒有干凈的水用，當前學校內只有噴泉中有水。但是廚師說噴泉的水太臟了不能用來做飯，現(xiàn)在大家有沒有辦法把噴泉中的水凈化到可以用來洗菜做飯的程度呢？對于第2組的學生，教師創(chuàng)建如下情境：小明的爸爸在自來水廠上班，他說自來水的凈化是一個很復雜的過程，但是我們學習的凈化水只需要漏斗和活性炭就可以了，應該是一件很簡單的事情才對，有沒有同學愿意去自來水廠觀察小明爸爸的工作呢？對于第3組的學生可以創(chuàng)設如下情境：老師有一個朋友在某大學當化學教師，他說實驗室內的水還有輕水和重水之分，且自來水是不能用來做化學實驗的，有同學愿意和老師一起前往他的實驗室一探究竟嗎？

步驟3：對每一組的學生進行任務的設定，并做好安全引導，確保學生能夠順利完成任務。在任務完成后，組織學生對第1組學生凈化后的水進行檢測，將檢測結果與第2、3組學生收集與整理到的生活用水標準和實驗室用水標準進行比較。

步驟4：開展“認識水資源保護水資源”的專項講座。

步驟5：組織學生進行項目匯報，教師對項目的完成情況進行評價。

3.3 項目開展關鍵點分析

在構建教學情境時，應確保情境的真實性、相關性和啟發(fā)性。選擇接近學生日常經(jīng)歷的工程案例，能夠有效激發(fā)他們的探究欲望。確立真實工程情境并指明任務是培養(yǎng)工程思維的起點，這對工程實踐至關重要。若任務理解有誤，可能需重新開展工程活動。教師需從問題出發(fā)，逐步指導學生理解工程目標，鼓勵學生基于任務的實際性和可行性進行規(guī)劃和分析，探索不同設計思路。教師應培養(yǎng)學生的發(fā)散思維和整體觀念，以促進其策劃和創(chuàng)新能力的發(fā)展。

工程思維的塑造主要依賴于工程實踐的操作過程。教師應輔導學生執(zhí)行和調整工程設計方案，基于實施和反饋進行改進或創(chuàng)新。通過參與實際項目，學生可以探索并實施解決方案，利用持續(xù)的反饋來逐步完善任務。在成果展示與評價環(huán)節(jié)，各小組將展現(xiàn)其工程成果，其他小組和教師則負責記錄評價及提出反饋，以挑選出最佳實驗成果。依賴小組內部評價進行改進和優(yōu)化并不全面，因此，教師應通過小組展示來引導自評、互評和教師評價，對工程成果進行綜合評估，以收集反饋，匯聚智慧，更好地指導后續(xù)工程實踐。教師在這一過程中應給予學生積極的評價，并提出建設性的意見。這一過程不僅幫助學生獲取知識技能，也促進了他們的價值思維和創(chuàng)造性思維的發(fā)展。

4 結束語

本文通過對工程思維的內涵辨析，探討了初中化學教學中應用工程思維的優(yōu)勢，并以“水的組成和凈化”為例，設計了基于工程思維的教學策略。該策略能有效提升學生的學科素養(yǎng)和工程思維，使他們在面對實際問題時，能夠運用所學知識，創(chuàng)新性地解決。工程思維在初中化學教學中的融入，對培養(yǎng)新時代背景下的創(chuàng)新人才具有重要意義。

參考文獻：

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[2] 徐婧，宋佳頤，王健?；诠こ趟季S培養(yǎng)的“基因工程”單元教學設計與實施：以“通過基因工程生產(chǎn)人干擾素”為情境[J]。生物學通報，2024，59（1）：25-29。

[3] 翟云濤。設計型學習視閾下化學教學中學生工程思維培養(yǎng)路徑探析[J]。數(shù)理化解題研究，2023（14）：134-136。

[4] 李月。設計型學習視角下以化學教學培養(yǎng)工程思維的實踐[J]。教學管理與教育研究，2022（13）：91-93。

［責任編輯：孫美齊］