化学教学中培养工程思维的必要性及实现途径

王 斌

(泰州市高港实验初级中学,江苏 泰州 225000)

1 培养工程思维的内涵

化学是一门与生活、生产、社会紧密联系的古老而富有生命力的科学,它的开展对于推动中国科技的发展和经济社会的发展产生了重要的影响.人们从原子和分子角度探索新事物,归纳自然法则,其目标不只为了揭示物质世界的秘密,也是为了提高人们的生存水平,保护人们的身体健康,推动社会的文明进步.将科学技术运用于实际生产与生活之中,是化学探索的最终目的,它也反映出化工学科存在的必要价值.在工业生产中应用化学学科的知识包括:选择和控制工艺条件、评价经济效应、废物的再利用和处置.

思维是指解决问题的认知过程,是人的一种更高层次的认识行为,它间接、概括地反映客观事物的性质和内部关系.工程思维是一种特殊的思维表示方式,它具有深刻性、灵活性、逻辑性等基本思维特点,工程思想还具有与思维总体特性相区别的突出特点,要对工程思维进行深入的认识,就必须明确其与科学和艺术思维之间的联系与区别.

1.1 创新的工程思维

创新是工程思想最基本的特点,它的根本含义是发明、创造、建造、设计,其实质是创造“现实产品”,是由一系列的工程实践活动所创造出来的.这并不是一种量的变化,而是随着时间的推移发生质的改变.这就需要学生和实践者从设计、预设的起点开始,在实践中,通过直觉和灵感的结合,在顿悟中创造出创造性的质变.创新思维在一定程度上是一种非逻辑的、非线性的思考方式.在实践中,人们不仅要进行综合和分析、演绎和归纳、分类和比较等逻辑思考,更需要直觉、直观、想象、经验、灵感、洞察力、顿悟其他非逻辑思考的功能,以达到创新的目的.

1.2 有情景的工程思维

情景是人在特定的行为中所处于的特定的环境中,它包含了机体和外部的环境.工程实践是一种与特定“个别对象”紧密相连的、具有强烈的“情境依赖性”的实践活动,它直接面对并依赖于“事实情境”,其属性主要包括背景、知识和行为三个方面.同时,工程思维还必须具备特定的情境思维,不能与具体的地点、时间、空间和环境相分离,这也为个体思维和创新思维的发展创造了条件.

1.3 系统的工程思维

在化学教学中,工程思维和科学思维有着密切的联系.需要明确化学在自然科学领域,工程思维的内涵、培养跨学科概念和核心思想、科学与工程实践三个维度,明确科技与工程专业的学习目的等方面的内容.在工程实践中,常常伴随着一个科学的探索阶段,这个阶段既需要发现,又要重视创新.创新需要科学的支持,只有掌握了科学的原理、方法和技巧,才能激发出创意和灵感.在工程实践中,创造性思维也是逻辑和想象力相结合的表现,而艺术思考的关键是要把想象力和思想完美地结合起来,可以将工程思维定义为:将科学和经验的知识应用到建筑项目、机器和材料的设计和生产中,或完成对人类有益的项目.

2 提高工程思维的重要意义

2.1 为工程建设提供思想指导

工程思维是一种用于处理复杂的实际问题的思考方法,这一点很重要.工程的两个核心就是专业知识和工程思维,工程技术思想能够对复杂的工程技术课题提出思路与途径,同时又能够运用于具体的实际中的复杂方面.

2.2 工程技术思维的训练对课程内容的教学产生着积极影响

以化工材料为媒介,探究科学家与工程师的工作,厘清课本与技术之间的差异和关联,可以更加深入地认识学科和工作领域的关系和作用,进而调动他们的兴趣,引发他们的好奇心,促使他们对该领域不断了解,加深对学科知识的理解.

2.3 培养工程思想,有利于助力学生创新能力的培养

工程思想以科研探究为手段,以工程实际情况为基础,以问题求解为目的,通过对项目的系统性和权衡,使学生在复杂的工程环境中解决问题、团队合作能力等方面的能力逐渐增强.当然,培养工程思维,也是为国家培养科研人员、高级从业人员的需求.在化学学科的核心素养构成要素中,工程学思维因素与其内涵存在着许多重叠点,培养工程思想也是培养学科核心素质的必要条件.

3 培养工程思维的实现途径

科学与工程学是相互交叉、相互联系、相互融合的,是人们理解和解释世界的一种理论和法则.科学探索的总体过程包括:发现问题、提出假设、提出问题、解释、实验和检验、表达和反思;在工程建设中,“结构不良”“边界模糊”等问题都是在实践中不断地进行优化,并通过实际问题的求解来实现.工程实践的总体流程包括:目标和问题的确定、问题的初步解决、工程方案的测试、工程方案的迭代优化.实质上,这两种方法都是针对特定情景的解决,都是以特定的方式来解决的.

以设计为基础的教学模式,有利于培养学生的工程思维,在实施这一教学模式时,需要包括以下几个方面:选择适当的工程方案;为学生提供特定的教学材料;探讨工程问题的求解方法;学生们的计划、执行、修改、沟通、评估.以设计理论为基础,构建了一套适合于工程思维的教学模式.该模式包括以下步骤:创建情景、明确任务、架桥、连接、设计、执行、修正、交流、评估、总结.本文通过运用工程问题的解题范式,对化学问题的解决进行探讨,以培养学生的工程学思考能力,这与设计创作的方法有些区别,但其教学模式却是可以参考的.

科工一体化是培养学生工程思维的一条行之有效的途径.在此基础上,以工程为基础,结合科研活动,学生可以通过这种综合获得提高.以工程实践为基础的教学方式是当前比较普遍的一种方法,通过对工程决策、工程设计、工程实践、工程评估等的教学实践,对学生进行创新思维、共赢思维、系统思维、规划等方面的训练.在工程实践活动中,可以从学生、工程、活动、教师、任务角度进行设计.

第一步:情景提问,决策任务.这是一个工程任务的决策过程,完成问题定义、调查研究、规划等;教师以实际情景引出问题,并引导学生做出相应的决定.项目决策的基本内容有两个:一是确定项目的总体目标;二是对整个工作过程进行整体的规划,该系统包含了哪些模块、将要完成的工作以及可以按照项目的要求来确定合理的解决方法,该流程应该是一个循环型和非线性的.在任务决策的过程中,教师只能起到指导作用,而不能起到替代作用.学生是决策的主体,他们能够独立地规划和决定项目的总体目标和项目过程.

构建工程情景具有重要意义,是培养学生的工程思维的根本.使学生对所要解决的工程问题有清晰地认识,并能引起他们的兴趣.

这一过程必须具有真实性、开放性、启发性和适切性.真实性原则,是指教师把化学原料当作工程工艺环境的主体,所处理的事情必须有实际、有价值;开放原则是指被设定的作业必须符合“结构不良”或“没有清晰界限”,需要通过探索来寻找答案;启发性是所创造的情景能够帮助学生进行探究解题,启发学生利用已有的知识与技巧来模仿工程师解决工程问题;适切性是指在设计环境时,要充分考虑到学生的人生体验和认识程度.而工程问题通常是复杂的,需要有合适的条件限制和指导.

第二步:组织合理,整体设计.这是一个项目的设计阶段.根据作业的特点,设计出特定的探究活动和探究点,包含材料、信息资料、先行认知知识等.教师协助学生搜集材料、整理遗漏的知识、协助修正、调整等.这一环节的设计,主要是对设计进行调整、优化,以提高整体设计的合理性和价值.在工程中遇到的问题常常是“结构不良”或者“边界模糊”,这对于学生来说是很困难的,因此要把工程工作分成几个研究项目,每一项探究活动都可以按要求分解成几个任务,这些任务既可以明确地界定出哪些思考因素可以被包含在教学中,而且可以帮助学生找出问题所需的支撑信息.这里的构建桥梁包括两个方面的含义:一是要打通“工作”和“思维”的障碍,在工程思维和任务的思考环节之间建立起一种连接;二是为解决工程问题提供必要的知识和技巧,为任务解决建立起信息的桥梁.

第三步:探索和优化设计.这一环节是项目的执行.根据所制定的计划、任务和活动,进行探究性的练习.教师解答问题,帮助学生突破难点,解决疑点,并通过实验验证,确保方案的可行性.在解决工程问题的过程中,可以开发和提高了工程思维,通过对现有的知识与技巧的综合分析,探讨具体问题、解决方案、研究设计方法、验证工程合理性的能力,要求教师能够培养学生处理具体问题的能力,并掌握工艺设计的理性和方法.这一过程是学校开展工程思想教学的一个重要环节,教师应作好探索式研究的主要指导者,要研究具体的工程课题.引导学生用工程学的思路去探索,并逐渐修正和改进.

第四步:进行诊断,实施评估.这是一个工程评估的环节.学生们在课堂上展示自己的作品,并与大家分享自己的学习成果.教师组织沟通、诊断、评估,并据此提出改善的对策和计划.评价的主要任务,就是通过反馈、调节和改善教学课程,从而提高学生思维能力的工程教育,而评价的重点并不在于对学生的项目设计方案的科学解答,而在于对其学业成绩中所反映的工程思维能力有所了解.