设计型学习视角下以化学教学培养工程思维的实践

李月（江苏省泰州市野徐初级中学 225326）

在当下开展学科教育不能仅关注书本知识，更要注重挖掘学科中的资源，培养学生解决问题的能力。初中化学学科与工程具备紧密的联系，往往需要学生投入思考，通过动手动脑完成作品。因此，本文拟借鉴设计型学习的视角，探讨以初中化学教学培养学生的工程思维。

一、相关概念概述

1.设计型学习

设计型学习，又称基于设计的学习或设计中学，是一种面向设计实践的学习形式，要通过设计完成任务。从学习目标上看，设计型学习指向学科素养的养成，不仅要巩固相关知识，更要培养学生内在的素养。学生在设计型学习中获得的素养，可迁移运用在其他学习与实践情境下，令学生终身受益。设计型学习与初中化学的本质定位具有密切的联系，是学科教学中基本的教学法，同时也是指引教学实践的科学理念。从学习方法上看，设计型学习以一定的项目为依托，通过整合知识与应用的方式开展学习。福特斯（Fortus）指出，设计型学习以设计物品为出发点，提出基于设计的科学方法，其中的步骤可以包括确认情境、背景分析、形成观点、建立作品等。从学习内容上看，设计型学习不是对已有知识的学习，而是要将学习过的知识与信息组合为新的构件，其中融入了思维的能动性。

2.工程思维

工程思维是人脑中的思维方式之一，是人们在进行工程设计、实践过程中形成的一种思维方式，指人们在发现问题、分析问题和解决问题时使用的思维工具，其中包含多个要素。工程思维指向实践，要为解决问题服务，指能够根据实践目标理顺知识、组织思维活动的能力。工程思维主要包括：系统性思维，即从整体和全局出发进行思考的思维，强调关注各部分之间的联系；筹划性思维，即根据具体目标形成良好方案，厘清各个工作步骤并进行妥善安排的思维能力；创新性思维，指通过批判性、开放性的思考发现解决问题的独特方法，并通过具体的工程步骤达成目标的思维方式；价值性思维，指主体除关注技术问题外，还要能够明辨价值问题，如产品对人类生活的价值以及工程过程产生中的科学伦理问题等。具备工程思维的个体将能够更好地应对现实生活中的问题，理解社会生产生活中的各种现象，适应现代社会对人才素质的要求。

二、设计型学习视角下以化学教学培养工程思维的实践探究

1.挖掘教材资源，设计实验方案

对实验方案的设计是初中化学教学中的重要设计任务，具体包括对实验步骤和实验材料的设计。教师可以结合教材中的资源，引导学生自主设计实验方案，并以设计过程培养学生的工程思维。

（1）立足实验原理，开展设计

设计任何实验都要从基本原理出发，符合科学研究的本质方法。对实验原理的牢固把握，有助于培养学生的系统性思维和筹划性思维，让学生掌握工程的基本流程。在开展实验设计时要以实验原理作为基本的立足点，引导学生从实验原理出发去安排实验步骤以及选择材料。例如，在《物质溶解过程中的能量变化》一节的实验中，要求研究硝酸铵、氯化钠和氢氧化钠三种物质的热量变化。教师先引导学生回顾以往开展实验的经历，对变化值展开研究，并让多名学生回答问题。教师再进行归纳总结，提出“控制变量”的实验原理，再让学生思考问题：“在本实验中，哪些量是变量，哪些量是不变量？在本实验中如何控制变量？如何对实验结果进行测量？”当学生了解了实验原理后，教师再让学生进行思考和交流，开展实验设计。以上教学，有助于培养学生从整体与全局出发进行思考的习惯，帮助学生提升分析问题和解决问题的能力，发展工程思维。

（2）对比多种方案，明确差异

基于同样的实验目标可能产生不同的实验方案，可能产生差异化的材料、步骤。首先，设计型学习的过程不是学生的机械操作，而是学生运用开放性思维展开探索、设计与实践的过程。因此，在创设任务时要鼓励学生沿不同的方向展开思考，设计多元化的方案。其次，教师引导学生对比多种方案、感受异同，提升学生对实验设计的认识。例如，在沪教版教材第四章第二节《化学反应中的质量关系》中包含一个任务：请设计一个实验，证明普通纸张中含有碳元素。在开展教学时，教师可以对这个实验任务进行适度拓展，将其调整为如下形式：请设计一个实验，证明普通纸张中含有碳、氢元素。对于本实验，学生设计出了三种方案。

方案一：将点燃纸张后的气体通入澄清石灰水，然后再通过无水硫酸铜，发现澄清石灰水变浑浊，无水硫酸铜变成蓝色，证明该气体内含有二氧化碳和水，从而证明纸张中有碳、氢元素。

方案二：将纸点燃，火焰上方罩一个干冷的烧杯，如果烧杯内壁出现水雾，则表明纸中含有氢元素；将纸点燃，火焰上方罩一个内壁涂有石灰水的烧杯，如果烧杯内出现浑浊，则表明纸中含有碳元素。

方案三：将纸点燃，在火焰上方罩一个干冷烧杯，如烧杯内壁现水雾，表明纸中有氢元素；向杯内注入少量澄清石灰水，振荡，石灰水变浑浊，表明纸中含有碳元素。

教师引导学生对比三项方案，从准确性、时长以及耗材三方面对设计方案进行评估。最终，学生提出“方案三”为最佳方案，其既可保障实验正确性，又能够节省材料。本次学习活动有助于培养学生的筹划性思维、价值性思维，让学生学会根据具体目标选用合适的材料，并从各方面进行价值评估，提升学生应对实际问题的能力。

2.制定具体目标，设计实用装置

对实用装置的设计更多地突出了动手操作的要素，要求学生能够正确处理生活中的各种物质和材料，将其有计划地进行装配以发挥特定的功能。此方面的设计可以培养学生的工程思维，能够让学生掌握产品设计与产出的规律。以下结合“设计污水净化器”的活动，探讨设计型学习。

（1）思维引领，有序设计

科学实践活动应以清晰的思维引领，认知的正确性是保障设计有效性的前提。实用装置设计活动的最终目标是要创造具体的物品，但出发点则具有条理性和创新性的思维。在“设计污水净化器”的活动中，教师引导学生开展三个步骤的思维活动。首先，明确净化的原理，除去水中的固体杂质和悬浮物，消毒，除异味；其次，根据净化的原理确定适宜的净化材料和装配方式，明确过滤层的结构；最后，明确实验中其他辅助材料以及材料的装配方法，画出设计图，再列出净化步骤。其中前两个环节在课堂中完成，教师通过问答法和讲授法让学生厘清思路，获取答案。对于第三个步骤，则让学生在课后通过小组合作的方式完成。教师鼓励学生在小组内展开讨论，思考各种细节，如怎样给污水消毒、如何让污水从净化器中流出、准备哪种容器回收用材等。以思维活动引领设计过程，可以让学生懂得每个步骤的由来，同时养成缜密的思维习惯，学会围绕目标进行规划，发现适应现代社会必不可少的工程思维。

（2）实践应用，反思评述

陶行知先生曾经提出“教学做合一”的思想，认为“教学做是一件事，不是三件事”，“教”和“学”应统一于“做”。在“做”的活动中可以加深“学”的深度，“教”的活动也将获得新的着力点。只有当个体参与实践时，才能够了解影响事物的各个因素，收获个性化的感悟与经验。在将知识应用于实际生活时，学习者会对知识本身产生更深的认识。“设计污水净化器”活动的最后一个环节是将污水净化装置投入实践，应用它净化污水，即“做”的环节。在此环节后，教师要引导学生根据动手操作的结果进行反思与评述，总结设计经验。一方面，要总结正面的经验，归纳开展设计型学习的要点，提炼科学实践的规律；另一方面，也要关注“做”的过程中产生的误差，开展回溯性思考，从错误中学习。在设计活动的初期，学生对成果往往有理想化的期待，开展活动时，却会发现一些意外情况。如有的学生发现水仍然有些污浊，可能源于初期未能“缓缓倒水”，导致过滤层被冲散；有的学生没有使用明矾处理污水，导致水中有一些颗粒物与水分离不足等。教师可以向学生派发《设计型学习活动报告单》，让学生总结实践学习的经验，让学生总结本次工程任务实施前后的事项，明确工程设计的注意事项，并发展工程评价能力。

3.关联实际生活，设计问题解决方案

应用化学知识可以解决实际生活中的问题。教师可以从实际生活中提取具体问题，引导学生设计问题解决方案，如沪教版教材《氢能》一节中展示了用光伏板吸收太阳能，再用太阳能电解水制取氢气，然后转变为电能与热能的过程。教师可以创设讨论活动：“请你设计出其他储存太阳能的方案。”本次设计型学习活动无须进行动手操作，不要求使用材料外化为人工制品，教师主要引导学生从科学的可行性上考虑，结合自己的化学知识推理。课中交流讨论，学生在四人小组内展开讨论，从多向度展开思考，生成多种设计方案。教师再让学生分享自己的观点，如利用某些有适合熔点和较大熔化热的物质，白天在阳光照射下熔化吸热，夜晚凝固放出热量；利用太阳能发电，再将其存入蓄电池等。对问题解决方案的思考可以培养学生的科学想象力，让学生发展工程思维中必不可少的创新性思维。

三、结语

基于设计型学习理论开展初中化学教学，符合化学科学的本质规律，运用于实践中具有旺盛的生命力。初中化学教学中的设计型学习活动具有实践性，与具体的问题息息相关，要求学生活用知识解决问题，有助于培养学生的工程思维。教师要多立足化学课程与生活之间的关联开展教学，创设不同的设计任务，让学生亲历解决实际问题的全过程，进而在此过程中收获丰富的思维体验，发展工程思维，提升学科核心素养。