化学教学中培养工程思维： 内涵、必要性及实现途径

邹国华　刘帅　蔡小蔓　邓阳

摘要： 化学与生产生活联系紧密，将化学学科知识运用于化工生产，需要运用工程思维，高中化学教学有必要培养工程思维。分析工程思维的内涵和教学中培养工程思维的必要性，探索高中阶段化学教学培养工程思维的实现途径。

关键词： 工程思维; 化学教学; 思维活动

文章编号： 10056629（2020）08000305

中图分类号： G633 8

文献标识码： B

化学是一门古老而有活力、有价值的学科，与社会、生产、生活联系紧密，化学的发展是推动科技进步和现代社会文明的重要力量。人类从原子、分子水平研究物质，总结自然规律，其目的不仅是为了揭示物质世界的奥秘，也是为了能创造和生产物质，以改善人类的生活条件，保障人类的健康，推进人类文明的发展。将研究成果运用于生产生活是化学研究的最终目标，也是化学学科的价值体现。将化学学科知识运用于工业化生产，其过程包含了经济效应的评估、工艺条件的选择和控制、废气废料的回收处理等思维活动，这些思维活动包含于工程思维中。

1  工程思维的内涵

思维是人类所具有的高级认识活动，按照信息论的观点，思维是对新输入信息与脑内储存知识经验进行一系列复杂心智操作的过程。人类针对不同的场合、工作性质、价值追求进行思维活动时会有不同的思维方式，常见的思维方式有工程思维、科学思维和艺术思维。

从本质上看，“创造”“发现”和“想象”分别体现了工程思维、科学思维和艺术思维三种思维与现实的关系，通过工程活动“创造”出现实世界中的“人工物品”需要的思维方式属于工程思维;“发现”科学定律、规律所需的思维方式属于科学思维;进行艺术创作活动中需要的“想象”过程属于艺术思维[1]。

工程思维的主体是工程师、企业家和管理者，是在工程的设计、研究和实践中形成的思维，工程思维的核心是筹划性地运用各种知识解决工程实践问题[2]。Shlomo Waks等通过对工程专家的访谈分析，总结出工程思维是一种有目的性、权衡性、创造性、系统性的具体思维[3]。宋蕊通过分析前人对工程思维的研究，认为工程思维具有系统性、权衡性、筹划性，其次工程思维还具有逻辑性、科学性与创造性等特征[4]。

美国《新一代科学教育标准》首次将科学与工程实践的内容整合进基础教育，明确提出了关于科学与工程实践的表现性期望、类型、内容以及具体的学习目标[5]。随着全球STEM教育的发展，工程思维的培养逐渐走进基础教育阶段。目前，国内外的相关研究认为基础教育阶段培养的工程思维并非专业工程领域中的工程思维，而是利用解决工程问题的方法范式来解决真实情境问题的思维方式与习惯[6]。美国国家工程科学院（NAE）认为K12工程教育应该促进学生工程思维习惯的发展，其中工程思维习惯的要求与21世纪基本能力一致，包括了系统思维、创造性思维、乐观、合作、沟通与伦理道德等要素[7]。在基础教育领域的相关研究中，王美茹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[8]。李永胜认为工程思维包括筹划性思维、规则性思维、科学性与艺术性兼容的思维、综合集成性思维、构建性思维、权衡性思维、差异化思维、价值性思维和过程性思维等[9];赵美岚认为工程思维分为系统思维、运筹思维、整合思维、双赢思维、形象思维和美感思维[10]。

可见，工程思维是系统的、复杂的思维方式，鉴于文献研究与化学教学经验，笔者认为中学化学教学可培养的工程思维要素包括创造性思维、系统性思维、权衡性思维、价值性思维、双赢思维，具体涵义如表1。

创造性思维一种具有开创意义的思维活动，即开拓认识新領域、开创认识新成果的思维活动。

系统性思维抓住问题的各个方面，又不忽视其重要细节，考虑问题要从整体出发，能够很好地处理整体与局部关系的思维活动。

权衡性思维通过合理匹配各种要素，优化选择各种模式，调和各种不同需求，对多元价值目标（经济、社会、政治、技术、生态、审美等）和多种利益关系进行比较的思维活动。

价值性思维以满足社会需要、实现并创造更大的价值为目标，对不同的价值目标与错综复杂的利益关系进行排序、组合、配置与平衡，实现系统整合与优化的思维活动。

双赢思维在互惠、互利、平等下相互协作、共同发展的思维。提倡沟通合作、互利互惠，包含不同个体、单位、行业间的双赢，人与自然的双赢。

化学工程问题常是“结构不良”或“无明确边界”的问题，面对这类问题需要综合运用学科知识创造性地解决问题;化学工程受到地域、气候、资金、人力资源等限制，也受到速率、限度、原料等方面的影响，考虑问题要有全局意识，从整体出发，要预见可能的风险、危险及产品的可靠性，即要有系统性思维;如何合理匹配各要素，调和不同需求，如何平衡各种利益关系，需要有权衡性思维;化工生产目的是为社会生产出有价值的产品，同时获得经济效益，如何让生产的各方价值都最大化需要有价值性思维;生产中需要与其他企业、部门沟通合作以取得共同发展，同时，工业生产服务于人类社会，应践行绿色发展、谋求人与自然和谐发展，不能以牺牲环境为代价，需要双赢思维。

2  化学教学中培养工程思维的必要性

目前理工科大学生普遍存在工程意识和思维能力不足，运用理论知识解决实际问题能力差的问题，加强学生工程思维能力培养已刻不容缓[11]。工程思维培养的责任不仅在高校，基础教育阶段也应开展，化学教学中有必要培养学生的工程思维。

首先，工程思维是运用于解决复杂现实问题的思维方式，其本身具有重要性。学科知识和工程思维是指导工程生产的两个保障，工程思维为复杂工程问题的解决提供思路和方法，也能迁移至生产、生活中复杂现实问题的解决。

其次，培养工程思维有助于促进学科内容的学习。以化工素材为载体，探索科学家和工程师的工作，厘清科学与工程之间的区别与联系，能更深刻地理解学科与工程领域的知识与意义，从而激发学生的好奇心，吸引学生的兴趣，鼓励学生在该领域继续学习[12]，增进对学科内容的理解。

最后，培养工程思维有助于促进学生能力的发展。工程思维的培养以工程实践过程为框架，以科学探究为方法，以任务解决为目标，系统地、权衡地进行工程设计，逐步迭代优化方案，学生在复杂工程情景下的问题解决能力、团队合作能力等也得到了发展[13]。

当然，培养工程思维也是为祖国培养从事化学工程方面研究人员、高级从业人员的需要;工程思维要素与化学学科核心素养蕴含的要素中有诸多重合之处，培养工程思维也是发展学科核心素养的需要。

3  教学中培养工程思维的实现途径

基于设计的教学模式（Learn by Design，简称LBD）有利于实现工程思维的培养。Han等[14]认为，LBD的实施过程中应包含的要素有： 选择合适的工程项目;提供具体的学习素材;探究解决工程问题的策略;学生设计、实施和修正方案;交流、评价。王颖[15]、王奇伟[16]借助LBD理论建构工程思维培养的教学模型，模型包含创设情境，明确任务→搭建桥梁，建立联系→设计实施，修改完善→交流评价，总结归纳四个环节，学生在机器人、手机支架等设计中发展工程思维。本文阐述的是以工程问题的解决范式来探究化工任务的解决以培养学生的工程思维，与设计制作作品的方式略有不同，但教学模型值得借鉴。笔者结合实际经验，将上述环节调整为： 创设情境，明确任务→分解任务，搭建桥梁→探究方案，修改完善→关注表现，及时评价。下面结合教学实践予以介绍。

3.1  创设情境，明确任务

创设工程情境，明确有意义的工程任务，是培养工程思维的基础。以真实的工程素材为情境，围绕生产原理、原料的获取、工艺条件的选择与优化、产品的制备与纯化等方面设置工程任务，在激发学生兴趣的同时让学生明确待解决的工程问题。

该环节应遵循真实性、开放性、启发性、适切性原则。真实性原则指工程情境以化工素材为载体，待解决的任务要真实且有意义;开放性原则指所设置的任务要满足“结构不良”或“无明确边界”，需通过探究寻求解决方案;启发性原则指所创设的情境应有助于引导学生进行探索求解，启示学生运用已储备的知识和技能模拟工程从业人员处理工程问题;适切性原则指创设情境时应考虑学生的生活经验和认知水平，工程问题往往错综复杂，要有适当的条件限定和信息的指引。

笔者结合本市资源（两家火电厂和一家环保公司），开设了“烟气脱硝原理及工艺条件选择的探究”省级公开课，教学中创设情境和预设的工程任务如表2。情境、任务满足真实性等四原则，学生明确需完成的任务，并且提供了必要的提示信息。用真实工程素材激发学生探究兴趣的同时让学生意识到烟气脱硝问题就在自己身边，探索高效的脱硝方案必要且很有意义。

我市两家火电厂年耗煤量约250万吨，电厂燃煤烟气中含大量氮和硫的氧化物，烟气需脱硝、脱硫后才能排放到空气中，火电厂所用的脱硝设备为我市××公司生产的SCR脱硝系统，其脱硝原理为氨气与NOx、 O2作用生成N2和H2O，脱硝效率能达到90%以上。为降低烟气中NOx的含量，减少环境污染，如何选择工艺条件提高烟气中NOx的脱除率？4NH3（g）+4NO（g）+O2（g）4N2（g）+6H2O（g）  ΔH<0

4NH3（g）+6NO（g）5N2（g）+6H2O（g）  ΔH<0

4NH3（g）+2NO2（g）+O2（g）3N2（g）+6H2O（g）  ΔH<0

8NH3（g）+6NO2（g）7N2（g）+12H2O（g）  ΔH<0

3.2  分解任务，搭建桥梁

工程中的问题往往是“结构不良”或“无明确边界”的问题，对学生而言可能难以逾越，需要将工程任务分解成若干个探究活动，每个探究活动还可根据需要细化为若干个任务，细化后的任务不仅能清晰确定教学中可纳入的思维要素，还能确定解决问题所需的支架信息。

此处搭建桥梁包含两层涵义： 一是打通任务与思维要素之间的壁垒，建立任务与工程思维要素之间的联系;二是提供解决工程任务需要的知识与技能，搭建任务解决所需的信息桥梁。仅根据表2素材，学生难以完成“选择工艺条件提高烟气中NOx的脱除率”的工程任务，为此将任务拆分为“压强探究”等四个探究活动，每个探究活动可细化成若干任务，以便确定可纳入的思维要素和需提供的支架信息。限于篇幅，笔者以“压强探究”为例（见图1）进行介绍。

压强的选择需要运用速率、平衡等知识，任务1主要任务是激活解决任务2、 3所需要的基础知识，搭建解决任务的支架;任务2引导学生抓住选择压强要考虑的各个方面因素，不忽视细节，培养学生的系统性思維;任务3需要综合考虑限度、速率、成本、安全风险等因素，对比、权衡后作出压强选择，培养权衡性思维;选择合适压强的原则是在保证脱硝效果的前提下降低成本，关注压强选择的价值，培养学生的价值性思维。

3.3  探究方案，修改完善

工程思维是在工程问题的解决过程中发展和提升的，学生在已有知识和技能的基础上，结合所收集的信息，探究问题解决、权衡方案、优化方案、检验设计的合理性等过程的体验，提升真实问题的解决能力，理解工艺设计的理性和方法。该环节是教学实践环节，更是落实工程思维培养的重要环节，教师要充当好探究活动的组织者和引路人，可设计层层递进的问题引导学生运用工程思维进行方案探究，并逐步修改完善。

例如，图1中的“任务3”为发展学生的权衡性思维和价值性思维进行如下教学：

[教师]其他条件一定的情况下，脱硝工艺中压强应选择低压、常压还是高压？

[教师]请结合脱硝的反应的化学方程式和相关化学知识进行探讨。

[学生]小组讨论后回答。组1： 选择低压;组2： 选择高压;组3： 选择常压……

[教师]我们先一起探讨小组1的预设方案，请组1的同学回答，支持你们做出判断的理由有哪些？

[学生]总体来说，脱硝反应体积增大，低压有利于平衡正向移动，提高NOx脱除率。

[教师]是否合理？其他组同学请回答。

[学生]不合理，低压反应速率慢，NOx脱除率会比较低。

[教师]是的，还得考虑速率问题。

[教师]高压是否合理呢？请同学们评价。

[学生]也不合理，高压反应逆向移动，不利于烟气脱硝。

[教师]是的，高压也不合适。我们在压强选择时，不仅要考虑速率、限度问题，还要考虑成本、安全风险等问题。

[教师]常压是否可行呢？请结合以上提示信息进一步探讨。

[学生]从限度角度来看，脱硝的4个反应式总体气体分子数增大，但增大不多，如4NH3（g）+4NO（g）+O2（g）4N2（g）+6H2O（g），左边9分子气体，右边10分子气体，所以压强对限度的影响不大;从成本角度来看，常压不需要减压、加压等设备，可降低成本;从速率角度来看，常压速率适中;从安全风险角度来看，常压是比较安全的。综合起来，选择常压下脱硝合理。

[教师]正确，理由也阐述得很清晰，你的选择与我们市火电厂脱硝时选择的压强是一致的！我们的目标是在保证脱硝效果、安全生产的前提下尽可能降低成本、能耗。

通过引导学生对比三种压强下的速率、限度、成本和安全风险，最终做出合理选择，发展了权衡性思维，压强选择最终是为了保证脱硝效果的基础上实现效益的最大化，培养学生的价值性思维。

3.4  关注表现，及时评价

评价的目的是为教学提供反馈，调整、改进教学，促进学生的思维培养，评价的对象不是学生最终设计的方案或答案，而是学习表现所反映的工程思维水平。对于工程思维的评价，可借助学习进阶理论[17]将工程思维要素进行水平划分，通过学生的表现或测试结果分析其工程思维要素所对应的水平等级，进而对工程思维进行量化评价。下面以权衡性思维为例，构建进阶层次，并对每个层次赋予一定分值（见图2），在工程思维的培养过程中，通过活动评价或者纸笔检测判断学生权衡性思维所处的水平等级，并记录分数，使得思维评价变得可视化和量化。

高低水平3： 能自主搜索证据资料进行多因素利益关系对比权衡（3分）

水平2： 能进行给定信息的多因素利益关系对比权衡（2分）

水平1： 能进行单因素利益关系对比权衡（1分）

例如，“其他条件一定情况下，脱硝工艺中压强应选择低压、常压还是高压？”探究活动中可根据学生的回答评价其权衡性思维的等级，具体如表3。通过数据比对，为个体在群体中工程思维发展水平提供参考。

未给信息提示从限度角度来看，脱硝的4个反应式总体气体分子数增大，但增大不多，压强对限度的影响不大;从成本角度来看，常压不需要减压、加压等设备，可降低成本;从速率角度来看，常压速率适中;从安全风险角度来看，常压是比较安全的。综合起来，选择常压下脱硝合理。能自主综合考虑限度、速率、成本、安全风险等两种以上因素进行分析，且分析过程正确的定为水平3。3

未给信息提示“选择低压，因为低压能使脱硝反应的平衡正向移动，提高NOx脱除率”或“选择高压，高压能加快反应速率，单位时间内提高NOx脱除率”。能从限度、速率、成本、安全风险等因素中的一个角度进行分析，且分析过程正确的定为水平1。1

应考虑速率、限度、成本、安全风险等因素从限度角度来看，脱硝的4个反应式总体气体分子数增大，但增大不多，压强对限度的影响不大;从成本角度来看，常压不需要减压、加压等设备，可降低成本;从速率角度来看，常压速率适中;从安全风险角度来看，常压是比较安全的。综合起来，选择常压下脱硝合理。信息提示前只进行了单因素分析，且分析过程正确，但提供信息后，能进行多因素分析，且分析过程正确的定为水平2;若多因素分析错误的仍定为水平1。2

目前我国对中学阶段化学教学中培育工程思维的研究还比较少，但可行且很有必要。本文抛砖引玉，对化学教学中培养工程思维进行探索尝试，有不当之处，请批判指正。

参考文献：

[1]李伯聪. 工程思维的性质和认识史及其对工程教育改革的启示[J]. 高等工程教育研究， 2018， （4）： 45～55.

[2]杨英杰， 邱俊， 金星. 基于现代工程师的科学思维与工程思维培养[J]. 现代教育科学， 2010， （2）： 149～151.

[3]Shlomo Waks， Elena Trotskovsky， et al. Engineering Thinking： The Experts Perspective [J]. International Journal of Engineering Education， 2011， （4）： 838～851.

[4][6][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： 华东师范大学硕士学位论文， 2019.

[5]史永悦， 杜欣， 苏玉成. 从科学与工程教育看美国新科学教育标准[J]. 现代中小学教育， 2016， （2）： 113～117.

[7]National Academy of Engineering. Engineering in K12 Education： Understanding the Status and Improving the Prospects [J]. Insight， 2010， 13（3）： 8～10.

[8]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： 陕西师范大学硕士学位论文， 2018.

[9]李永胜. 论工程思维的内涵、 特征与要求[J]. 洛阳师范学院学报， 2015， （4）： 12～18.

[10]趙美岚. 工程思维探析[D]. 南昌： 南昌大学硕士学位论文， 2006.

[11]贺全国， 刘有势， 李广利等. 物理化学学科视域下跨界工程思维能力的探索[J]. 广东化工， 2018， （3）： 186～189.

[12]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（3）： 45～51.

[14]Seungyeon Han， Kakali Bhattacharya. Constyuctionism， Learning by Design， and Project Based Learning [EB/OL]. [2013115]. http：//epltt.coe.uga.edu/index.phd？title=Constructionism，_Learning_by_Design，_and_Project_Based_Learning.

[15]王颖. 普通高中机器人教学中培养学生工程思维的行动研究[D]. 南京： 南京师范大学硕士学位论文， 2014.

[16]王奇伟. 小学STEM课程中工程思维培养的教学设计研究[D]. 上海： 上海师范大学硕士学位论文， 2016.

[17]邹国华， 童文昭. “离子反应”学习进阶及其教学分析[J]. 化学教育， 2018， 39（17）： 22～26.