化学教学中工程思维的内涵及培养

摘      要 化学教学中应对工程思维内涵及其培养形成基本认识。工程思维除思维的一般特征外，还具有有创新性、情境性、系统性等显著特点。工程思维的培养应注重化学教学中工程思维培养的着力点，化学教学中工程思维培养的实施路径，化学教学中工程思维培养的能力要素，化学教学中工程思维培养的评价指标四个方面。

关 键 词 化学教学  工程思维  工程实践  价值思维

引用格式 陆庭銮.化学教学中工程思维的内涵及培养[J].教学与管理，2022（07）：62-65.

工程思维已是当今科学类课程中一个热词，培养工程思维在化学教学中已凸显其重要性。化学教学的科学思维重视的是科学探究过程和方法，通过科学探究活动与科学思维发现科学规律与定律等。而工程思维正是以具体的某个实际问题为驱动框架，要求学生在任务的驱动下通过合作、探究等方式解决实际问题，体现了创新能力与创新精神。在化学教学中如何理解工程思维？它与科学思维是怎样关系？如何把握在初中阶段工程思维培养的度？这些问题我们需要理清理顺。

一、工程思维的内涵及特征

思维是指向问题解决的认知过程，是人类的高级认识活动，是对客观事物的本质及其内在联系间接和概括的反应[1]。工程思维则是思维的一种具体表现形式，它具有思维的一般特征：逻辑性、灵活性、深刻性等，工程思维也具有不同于思维一般特征的显著特点，要认真理解工程思维，还必须理清它与科学思维与艺术思维的关系。

1.工程思维具有创新性

创新性是工程思维的最基本特征，工程思维的基本内涵就是创造、发明、设计和建造[2]，其本质就是通过一系列的工程实践活动“创造”出“现实产品”[3]。这种创新性不是单纯随时间积累的量的变化而产生的质性改变，它往往要求学习者和实践者在实施过程中从预设和设计的起点出发，在实施过程中伴随着直觉与灵感，从顿悟中产生创新性质变。某种意义说，创新性思维是一种非逻辑性和非线性思维。人类在实践过程中不仅仅需要分析与综合、归纳与演绎、比较与分类等逻辑思维，还需要经验、直觉、想象、直观、灵感、顿悟、洞察力等非逻辑思维发挥作用，从而实现创新性活动。

2.工程思维具有情境性

情境是一个人在进行某种行动时所处的特殊背景，包括机体本身和外界环境因素。工程实践是面向具体问题的实践活动，它与具体的“个别对象”联系在一起，有很强的“情景依赖性”[4]，它是直面和依靠“事實情境”的。“事实情境”具有3大属性特征：背景属性、知识属性和活动属性[5]，同时决定了工程思维也应具有一定情境性的思维，不能脱离特定的时间、地点、空间与环境，也为个性思维与创造性思维提供了发展条件。

3.工程思维具有系统性

工程思维体现出的是“系统创新”，体现“系统即创造”的思想[6]。一是涉及多个领域丰富的知识，如科学知识、技术知识、数学知识、社会知识和人文知识等，它们相互渗透、彼此整合、共同促进;二是调用多种方法与思维，它是多种方法与思维的综合与整合，是科学思维、工程思维、艺术思维及人文思维的相互综合;三是多种因素综合评价，工程问题常涉及“结构不良”和“无明确边界”的问题[7]，应运用系统性思维综合思维，细节分析与整体综评相结合，价值性分析与双羸性分析相结合，地理因素与人为因素相结合，权衡性及风险评估等相结合。

化学教学中科学思维与工程思维是紧密关联的两种思维。美国《下一代科学标准》（NGSS）明确了跨科概念与核心概念、科学与工程实践共同构成了自然科学领域有效学习的3个维度，明确了科学与工程实践的学习目标等要素。工程实践过程往往伴随着科学探究过程，此过程不仅需要“发现”，更注重“创新”，创新需要科学的支撑，在深谙科学原理、方法与技能的基础上，才会迸发出个性化与创新性的灵感与直觉，工程实践过程中创新性思维还体现出逻辑与想象的有机结合，而艺术思维的核心就在于想象与思维的完善结合，可以把工程定义为：“把科学知识和经验知识运用于设计制造或完成对人类有用的建设项目、机器和材料的艺术”[8]。

二、工程思维培养的实践

工程思维的价值性立足于可行性、可操作性的实践，在实践中培养实然与应然、经验与超验、现实与理想相统一的实践性思维，体现了“吾造物故吾在”的精髓[9]。认识论的一般过程为实践-认识-再实践，培养的过程就是思维认识与再认识的过程，培养的过程就是实践的过程，实践过程中会伴随着直觉与灵感的迸发，创造性思维应运产生。

1.化学教学中工程思维培养的着力点

从美国新科学标准制定的演变过程来看科学与工程实践的发展：1996年，美国颁布了第一套《国家科学教育标准》，在实施过程中暴露出一些不足，如课程内容结构较松散，不够聚焦，学生的实践能力不强。2011年美国颁布了《K-12年级科学教育的框架：实践、交叉概念以及核心观念》，核心理念是学生运用科学知识及跨学科的概念加深对科学和工程实践知识的理解和运用[10]。2013年美国颁布了《新一代科学教育标准》，将科学和工程实践、核心概念和跨科概念进行有效整合，形成学习的三维框架体系。这也是首次将科学与工程实践整合进了基础教育，突出了科学和工程实践的位置，促进了科学与工程的有机整合，着力培养学生的创造思维能力。

随着全球掀起科学和工程实践等课程改革的风潮，我国的工程思维培养也逐渐进入了基础教育阶段，《义务教育小学科学课程标准》和《普通高中通用技术课程标准》在内容中首次加入技术与工程领域。课程标准中提出：工程技术的关键是设计;工程是运用科学和技术进行设计、解决实际问题和制造产品的活动。工程思维是一种高阶思维，对于提高学生的核心素养意义重大。对于基础教育阶段化学教学中工程思维培养的着力点和侧重点的问题，国内外相关文献都有研究。美国国家工程院（NAE）在《K-12教育中的工程：理解现状和提升未来》中对工程思维的定义是：工程思维是工程的“思维习惯”，具体包括系统思维、创造力、乐观、合作、沟通交流、伦理考虑等[11]。我国教育部在《普通高中通用技术课程标准》中对工程思维的定义是：工程思维是以系统分析和比较权衡为核心的一种筹划性思维。我国研究者普遍认为，工程思维是从现实出发而不是从概念出发的一套具有创造性、系统性、科学性和现实性等特点的独特思维方式与习惯[12]。gzslib202204011728

从国内外相关课程标准的制定演变过程看，从基础教育阶段科学和工程实践中思维能力的具体要求观察，化学教学中的工程思维并非是工程领域中的工程思维，而应是培养学生在真实问题境域中，运用系统性、筹划性等思维权衡解决问题的思维方式和习惯[13]。

2.化学教学中工程思维培养的能力要素

化学教学中培养工程思维有助于促进学生工程实践能力的发展。工程能力就是在工程决策、工程设计、工程实践与工程评价过程中通过工程思维的培养而形成的关键能力。

（1）工程决策阶段发展工程决策能力。主要表现为：根据真实的工程情境，创造性提出有价值的任务的能力;能够联系工程情境，结合问题，从多角度分析任务要素，发展全面系统考虑问题的能力;通过合作探讨，制定出切实可行的解决方案，发展学生交流与合作以及综合权衡的能力。

（2）工程设计阶段发展工程设计能力。主要表现为：灵活运用所学的知识与技能设计模型、活动，发展学生的科学思维能力;在设计过程中采用分析与综合、分类与类比、归纳与演绎等方法发展学生的探究能力;运用反思与质疑等手段与方法对设计进行修改，发展学生的质疑创新能力。

（3）工程实践阶段发展工程实践能力。主要表现为：敏锐的观察能力和分析能力，敢于接触实际、提出问题和解决问题的动手能力;在设计过程采用多种思维能力，以及处理工程实践问题时所需要的协调、合作能力;探索对方案的迭代优化，发展学生的质疑优化能力。

（4）工程评价阶段发展工程评价能力。主要表现在：依据工程任务与目标准确理解的评价能力;通过综合设计方案的可行性、科学性和创造性等因素，发展学生的评价能力;实践中对逻辑思维能力、动手操作能力及合作等进行综合评价，对形成的实验结果多角度综合评价。

3.化学教学中工程思维培养的实施路径

科学和工程是相互交叉、关联、整合的，科学是认识世界与解释世界的理论与规律，是人类试图了解自然界、探究新知识的方法。科学探究的一般过程是发现问题、提出问题、做出假设、进行实验、解释与检验、反思与表达等;工程主要面对“结构不良”和“无明确边界”的问题，是通过解决实际问题，不断迭代优化方案的实践过程。工程实践的一般过程是确定目标与问题、初步设计问题解决方案、测试工程方案、迭代优化工程方案等。从本质上讲，两者是同属于解决一个具体情境问题的过程，都是指向具体问题解决的[14]。

科工整合是化学教学中工程思维培养的有效实施路径。唐小为等对国内外30多个科工整合案例进行编码分析，从科工整合的目的、两者所占的比重和组织关联方式三个维度出发，提出了科学与工程整合的三种具体教学实施思路：应用延伸型（工程设计为主）、工程框架型（工程与科学并重）、设计探究型（科学探究为主）[15]。在唐小为的研究基础上，占小红从科学探究与工程实践的整合过程模式角度，建立了以科学探究为主、工程实践为主、科学探究和工程实践并重的三种整合的主要教与学模式[16]。通过对三种教学模式中整合的目的、两者所占比重及组织关联方式进行剖析，“应用延伸型”重在培养学生的工程思维，科学探究作为工程设计的支撑或依据;“工程框架型”则将科学探究的成果运用到工程设计中，两者过程相对独立;“设计探究型”则以工程设计为手段，科学探究为主线，工程设计帮助探究得出规律[17]。

Apedoe等在课程实践的基础上明确指出，以工程为框架结合科学探究活动，学习者可从这样的整合中得到提升[18]。基于工程实践为主的教学模式是目前较为常用的实施途径，师生通过工程决策、工程设计、工程实践和工程评价等活动，培养学生的筹划思维、系统思维、创新思维和双赢思维等。在工程实践活动中，工程思维培养的设计可从工程视角、学生视角、教师视角、活动和任务视角等方面展开，具体的模型建构如图1所示。

环节一：情境引问，任务决策。此环节为工程任务决策阶段。学生完成界定问题、调查研究和制定计划等;教师通过真实情境引问，提出有价值的问题，引导学生作出相关决策。工程决策主要完成2个方面的决策：一是确定工程任务总目标;二是进行任务流程总体设计，包括哪几个版块，将完成哪些任务，能够根据工程任务制定出合理的解决方案，此过程设计流程应是循环的而非线性的。任务决策阶段，教师只能是引导而不能代替决策，决策的主体是学生，其自主对工程任务的总目标和工程流程进行规划和决策。

环节二：先行组织，整体设计。此环节为工程设计阶段。学生针对任务设计具体活动及探究点，包括素材和材料、先行认知知识、信息资料等;教师帮助学生收集资料，梳理缺失知识，帮助修改和调整设计等。此环节主要通过搭支架，优化和修改设计，使整个设计更合理、更有价值。

环节三：探究实践，优化设计。此环节为工程实施阶段。学生针对制定的方案、任务及活动，实施探究实践;教师答疑解惑，帮助学生在实践解决问题的过程中突破难点、解决疑点，同时对方案测试检验，保证方案的可行性。

环节四：实施诊断，表现评价。此环节为工程评价阶段。学生展示作品，分享成果;教师组织交流，实施诊断，對学生表现评价，定性与定量相结合，在此基础上提出改进的措施和方案。

4.化学教学中工程思维培养的评价指标

布鲁姆认为教学评价有收集证据、实施诊断和反馈矫正三种功能[19]。通过反馈、矫正及时调整、改进教与学，促进学生工程思维的培养。邹国华等认为，评价的对象不是学生最终设计的方案或答案，而是学生表现所反映的工程思维水平[20]。可按工程的几个阶段将工程思维水平划分为工程决策思维水平、工程设计思维水平、工程实践思维水平等，根据学习进阶理论将其水平划分为几个等级，从而对工程思维进行评价（见表1）。亦可就工程思维的要素将其划分为：殊相性思维、筹划性思维、系统性思维、价值性思维等，将每个工程思维的要素按照水平划分为几个等级进行评价（见表2）。gzslib202204011728

在化学教学中渗透工程思维教学很有必要且十分重要。在化学课堂教学中需要不断地探索工程思维培养与实施的途径与方式，架构工程思维培养的教与学有效模式，切实为培养与提高学生的化学核心素养作出不懈的努力。

参考文献

[1] 刘忠华.传统思维方式与创新思维[J].长白学刊，2001（05）：56-57.

[2] 路甬祥.再谈现代工程教育[J].高等教育研究，1994（01）：1-5+15.

[3][7[20] 邹国华，刘帅，蔡小蔓，等.化学教学中培养工程思维：内涵、必要性及实现途径[J].化学教学，2020（08）：3-6+11.

[4][[5][6] 李永胜.论工程思维的内涵、特征和要求[J].洛阳师范学院学报，2015，34（15）：12-18.

[8] 王沛民，顾建民，刘伟民.工程教育基础[M].杭州：浙江大学出版社，1994：21.

[9] 李伯聪.工程哲学引论[M].郑州：大象出版社，2002：13.

[10] NATIONAL RESEARCH COUNCIL.A framework for K-12 science education：practices，cross-cuting concept，and core ideas[M].Washington，DC：National Academy Press，2012：3.

[11] 刘秉智.工程思维在应用化学教学中的应用[J].化学世界，2007（10）：638-640.

[12] 王美茹.小学智能硬件课程中工程思维培养的行动研究[D].西安：陕西师范大学，2018.

[13] 宋蕊.促进初中生工程思维发展的科学课程整合工程实践的实证研究[D].上海：华东师范大学，2019.

[14] 曾涛，符吉霞，徐冉冉，等.“科-工整合”实践对初中生工程实践能力影响的实证研究[J].化学教学，2020（05）：23-28.

[15] 唐小为，王唯真.整合STEM发展我国基础科学教育的有效路径分析[J].教育研究，2014，35（09）：61-68.

[16] 占小红.工程实践融入基础科学教育：内涵、目标与路径[J].基础教育，2017，14（03）：45-49+59.

[17] 宋蕊，占小红.科学整合工程实践的教学设计[J].化学教学，2018（02）：29-33.

[18] ApedoeX.S.，Reynolds B.，Ellefson M.R.，& Schunn C.D.Bringing engineering design into high school scienceclassrooms：the heating/cooling unit[J].Journal of ScienceEducation and Technology，2008，17（05）：454-465.