刍论在化学教学设计型学习中培养工程思维

陆庭銮|江苏省泰州医药高新区（高港区）教研室

设计型学习和工程思维都是舶来品。国外涉及设计型学习的三个项目（设计中的学习、基于设计的科学、基于设计的学习），都是确定一个显性真实的问题，向学生提出挑战，强调解决问题过程中学习的综合性、实践性［1］。《K-12 教育中的工程：理解现状和提升未来》指出，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［2］。2013 年美国《新一代科学教育标准》提出将科学和工程实践、核心概念和跨科概念进行有效整合，着力培养学生的创造思维能力。

《义务教育化学课程标准（2022 年版）》（以下简称“《课程标准》”）中多处涉及工程思维，如“运用简单的技术与工程方法设计、制作与使用相关模型和作品的能力”“能运用简单的技术与工程的方法初步解决与化学有关的实际问题，完成社会实践活动”“能综合运用化学、技术、工程及跨学科知识，秉承可持续发展观，设计、评估解决实际问题的方案，制作项目作品，并进行改进和优化，体现创新意识”。因此，化学教学中，教师可在分析设计型学习和工程思维这二者特征的基础上，以设计型学习实践引导学生提升工程思维，培养设计、制作、使用、评估、优化、创新等能力，提升核心素养。

一、设计型学习和工程思维的特征分析

对设计型学习和工程思维的要素进行分析，旨在引导学生对要素之间的匹配形成一定的认识，便于后续通过针对性设计达成对工程思维的培养。

（一）设计型学习的特征分析

通过研究设计型学习的相关文献，笔者归纳出其关键性要素为：经验、问题、迭代与反思。设计型学习的特征是基于经验、始于问题、优于迭代、深于反思。

设计是经验认识的再创造。设计就是对已有的经验进行改造、再创造的过程，即围绕真实的劣构问题中人工制品的功能、标准与结构进行的一系列活动［3］。学习者需要通过已有的显性经验与隐性经验认识和了解项目或工程产品的结构、功能等，解构变量之间的因果关系，同时用已有的经验去认识、阐释再创造的过程与设计的产品。在这一过程中，学习者所积累的经验能够得到筛选与优化，而这些又会助力学习者获得持久的知识、技能及思维习惯，使其最终成长为积极的、自主性很强的问题解决者。

有意义的问题是设计的核心。对于真实的劣构问题的设计与架构，有学者指出：设计者必须形成一个针对问题的设计情境，设置它的边界，选择特定的需要关注的事物和关系［4］。首先，设计者需对知识进行结构系统分析，以确定设计型问题的形态、方式及呈现形式。结构系统分析包括学习环境分析、学生需求分析、学习目标分析、核心概念分析等。设计型问题的形态、方式及呈现形式会因主题、学习要求、学习目标的差异呈现出差别，具体如表1所示。其次，设计者要准确把控设计型问题的复杂性和真实性。也就是说，设计者需考虑问题所涉及的知识点、问题的思维含量、问题的变量多少等，应体现关联（与学生的生活实际相关联）、共鸣（与学生的经验世界产生共鸣）、意义（对发展学生的知识、技能、思维有意义）。

表1 设计型问题的形态、方式及呈现形式

迭代优化是深度学习的体现。设计型学习大体可以概括为三个环节：概念化，建构与测试，获取知识。它们之间的关系不是线性和累加的，而是相互连通、互为学习的起点和终点。在具体实践中需要做到如下两点：一是通过小组合作，于方案的迭代修改中，对“假定”逐步进行完善，从而达到初步设计的目的；二是通过对测试的反馈，收集相关数据，判断测试方案与目标的契合度以及新产品各项指标的优劣等。教师可通过“提取法则”把代表性观点与成果汇总呈现给学生，带领学生综合分析，对设计的方案、构思的路径进行调整，对产品的原型标准指标进行修改，反馈后，再经过循环环节进行实践，并将行动与目标联合起来，直至达成设计目的。迭代的价值体现在如下两个层面：显性层面，获得了功能、标准与结构相匹配的产品；隐性层面，是高阶深度学习的重要途径。如此，通过迭代、反复，教师引导学生不断调整思维方式、方法，寻找更合理的途径，以适应、解释客观世界，化解认知冲突，发展心智能力，完善认知结构。

（二）工程思维的特征分析

工程思维是指向问题解决，能体现工程活动思维特点的间接和概括性的认知。工程活动涉及科学、技术及其他学科知识，需要以综合性和多视角的方式权衡考虑，因此工程思维除了具备一般思维的特征，即灵活性、深刻性、逻辑性外，还具有一些突出的特征，如创新性、情境性、系统性等。

工程思维本质上是创造、发明、设计和建造［5］，创新是其基本特征。在工程决策、工程设计、工程实践与工程评价的过程中，学习者需要运用直觉、灵感和顿悟等进行一系列活动，迸发出创新性思维，它们往往是非线性和非程序性的。在整个过程中，学习者用有价值的经验不断发现和创造。

工程思维更依赖于活动情境。工程思维更多的是直面事实、活动、生活与社会，应满足一定的社会需要，实现并创造更大的价值目标。从此意义上讲，情境性与价值性相关联。真实的情境不是虚拟的或理想化的场景，而是由人、物、技术、社会、信息构成的综合体，涉及的知识、手段具有多样性。从此意义上讲，情境性与复杂性相关联。

工程思维最显著的特征是系统性。需要多角度、多知识、多价值地权衡、比较、优化，才能达到系统化因素的动态平衡。系统即创新，体现在工程实践中，即应然与实然、理想与现实、比较与优化的一种筹划性思维，设计者要以此确定目标、方案和行动策略等。

（三）设计型学习各阶段的工程思维分析

从设计型学习和工程思维的特征分析可知，设计型学习需要工程思维，且会提升工程思维的水平。为了有效地开展设计型学习，提升工程思维，笔者将设计型学习与工程活动各步骤及需培养的工程思维对应并进行分析，具体如表2 所示。通过对比，笔者发现，二者在本质上是一致的，设计型学习的过程就是某一具体的工程活动的实践过程。

表2 设计型学习与工程活动各步骤及需培养的工程思维分析

二、在设计型学习中培养工程思维的路径探究

对于在设计型学习中培养工程思维的路径，很多学者进行了研究与总结，较为典型的有：创设情境、明确任务—分解任务、搭建桥梁—探究方案、修改方案—关注表现、及时评价［6］；情境引问、任务决策—先行组织、整体设计—探究实践、优化设计—实施诊断、表现评价［7］；界定任务—建构模型—制作产品—作品发布［8］。以下，笔者结合上述观点，从工程、学生、教师与活动等视角建构框架，对在设计型学习工程活动中培养工程思维展开具体阐述，并重点强调和梳理实现路径中的关键问题，以便有针对性地开展设计型学习，培育学生的核心素养。

（一）情境引问、任务决策阶段——培养工程决策能力

工程思维实质上是通过一个具体的情境问题，指导学生学会运用系统分析和比较权衡的方法进行综合实践。它突显筹划性思维，要求学生运用化学核心素养解决相关问题。此阶段主要通过情境引出问题，再以任务引导学生决策，以此培养学生的工程决策能力。此能力主要体现在四个方面：提出有价值的问题的能力；结合任务提出解决问题的方案的能力；根据任务确定目标的能力；分解任务发展综合权衡的能力。

在此阶段，教师需要完成三个环节：情境创设、问题提出、决策引导。首先，教师需要基于学生已有的生活与社会认知基础，创设真实的工程情境；其次，围绕真实的工程情境，教师要适时提出真实的工程问题，引导学生围绕工程问题进行工程决策。

在此阶段，学生需要进行工程决策并完成多个环节，包括任务界定、目标决策、计划制订、方案选择、优化完善等。在工程问题的引导下，学生先根据问题确定需要完成的任务，再根据任务研讨出需要掌握的相关知识，理出完成任务的思路与方案，形成完成任务的计划。由于此过程是非线性的，需要不断地进行优化与调整，而方案的选择和计划的制订也会反过来促进任务的进一步明确与界定，因此教师所起的作用是启发性、辅助性的，整个决策的主体应是学生，即学生通过分工与合作，解决任务决策。

以课题“基于特定需求设计和制作供氧器”为例，围绕特定需求进行任务决策，此阶段角色分工、环节及具体任务如表3所示。

表3 情境引问、任务决策阶段的角色分工、环节及具体任务

（二）先行组织、整体设计阶段——培养工程设计能力

此阶段通过科学与工程整合方式进行整体系统思考与设计，是整个过程的核心与关键，是取得工程实践的基础和保障。学生通过小组合作、交流讨论、初步设计及优化调整等完成模型设计，主要有两种形式：设计探究型，以科学探究为主，以工程设计为支撑或依据；应用延伸型，以工程设计为主，以科学探究为支撑或依据。此阶段应着力培养学生的工程设计能力，主要表现为五个方面：从已有认知中提取知识的经验转化能力；对方案的分析与综合能力；寻求设计的理论与实践证据并加以推理的能力；初步设计出应用的模型并形成模型认知能力；小组合理表达、分享并作出解释的能力。

此阶段，教师的关键作用是引导学生进行有效度的合作学习，具体需要经历如下环节：引导学生明确设计的任务（结构、功能、程序），科学分配形成合作小组；引导学生准备相关材料，指导解决设计疑惑，保障完成工程设计。学生需要在教师的指导下通过自主和合作学习完成模型设计，并完成多个环节与任务，包括资料学习、原理确定、结构设计、程序设计等。

以课题“基于特定需求设计和制作供氧器”为例，此阶段的角色分工、环节及具体任务如表4所示。

表4 先行组织、整体设计阶段的角色分工、环节及具体任务

（三）探究实践、优化设计阶段——培养工程实践能力

在此阶段，学生依据工程任务、工程设计进行探究实践，先检验设计的科学性与合理性，再检验决策与设计的合理性，提升实践操作能力。这实际上是在践行《课程标准》提出的“做中学”“用中学”“创中学”理念。迭代优化是此阶段的核心。此过程着重培养学生的工程实践能力，主要体现在四个方面：精选材料、比较筛选的能力；动手操作、勇于尝试的能力；细心求实，观察、实验的能力；分析、协调，质疑调整优化的能力。

在此阶段，学生需要在教师的帮助下进行探究实践，优化设计。具体环节包括选择模型材料、搭建模型装置、进行模型操作、调试优化模型。在这四个环节中，学生分别需要做到：根据模型设计方案，在节约资源和优化材料的原则下选择相关器材；根据所选器材，熟练运用所学知识，搭建装置；按照程序设计的步骤进行操作，保证操作的流畅性、简洁性；根据定性、定量要求操作调试模型，并及时调整优化。

在此阶段，为了完成设计的既定目标，教师虽不提供具体的实施意见，但要为学生答疑解惑，帮助学生在解决问题的过程中迭代优化设计。以课题“基于特定需求设计和制作供氧器”为例，此阶段的角色分工、环节及具体任务如表5所示。

（四）实施诊断、表现评价阶段——培养工程评价能力

此阶段为实施评价阶段，根据《课程标准》的理念与要求，要以评促教、以评促学、以评育人，实施“教—学—评”一体化。学生展示作品、分享成果，教师引导学生通过自评、互评、师评等形式，对作品实施定性与定量评价，提出改进实施的方案。从某种意义上讲，评价是创造［9］，是发展。通过评价可培育核心素养，培养有创造力的人。

评价的对象不应是最终的方案与作品，而应是在整个设计过程中学生表现出的工程思维水平［10］。评价的方式可按多维度进行，有两种比较典型的划分：一是根据工程阶段划分（如工程决策阶段、工程设计阶段、工程实践阶段）诊断评价学生的能力水平，具体如表6 所示；二是根据工程思维的要素划分（如价值性、筹划性、系统性）诊断评价学生的能力水平，具体如表7所示［11］。

表6 工程思维水平评价（按工程阶段划分）

表7 工程思维水平评价（按工程思维的要素划分）

综上，设计型学习是培养学生工程思维的重要途径，教师可通过“情境引问、任务决策”“先行组织、整体设计”“探究实践、优化设计”“实施诊断、表现评价”等阶段的具体实施，引导学生在实践中修正和完善方案设计。在此过程中，教师还要优化设计型学习的途径、方法及评价标准，强化学生运用系统性思维解决真实情境下劣构问题的意识，切实提升学生的核心素养。