基于工程思维培养的高中化学教学研究*

李晓冬，李艺伟，赵孟丹，刘 婷

(洛阳师范学院化学化工学院，河南 洛阳 471000)

化学是与生活息息相关的一门学科，在《普通高中化学课程标准》(2017年版2020年修订)(以下简称为《化学课程标准》)中提到在化学教学中教师应结合实例引导学生认识化学科学与技术合理使用的重要性，与此同时还要结合实例引导学生认识化学原理、化工技术对于节能环保、清洁生产、清洁能源等产业发展的重要性[1]。在化学学习的过程中，涉及到污水的处理、热能的循环使用、化工工艺流程的设计等思维活动，这些都是工程思维在化学中的体现。

1 基于培养工程思维的教学设计内涵

1.1 “工程思维”的特征与内涵

思维是人脑对外界事物传递的信息进行分析和汇总的高级活动，是人类所特有的。若对思维进行划分的话，可以将思维分为科学思维、工程思维和艺术思维。在李伯聪所写的《工程思维的性质和认识史及对工程教育的改革启示》中提到：科学思维、工程思维和艺术思维相对应的是“发现”、“设计”与“创造”[2]。不置可否，科学思维注重的是科学家对世界进行探索，并找出真相的思维方式；而工程思维注重的是人们发明创造出人类所需的物品的思维方式；艺术思维是对不存在的事物进行想象的思维方式。三种思维方式相互独立，又相互联系。学者们关于科学思维与艺术思维的阐述已经较多，有关工程思维的阐述相对而言还较少，并且关于工程思维的论述主要集中在高等教育，本文谈到的工程思维主要是基础教育中应该如何实现。

在笔者看来工程思维是一步一步解决工程问题的思维方式，更为注重实际，不仅需要接受科学思维的引领，也需要艺术思维的指导。不得不说，工程思维虽然是一种独立的思维方式，但是却从不脱离科学思维与艺术思维，是将两种思维方式结合在一起并运用到实际中的思维方式。在《论工程思维的特征、内涵与要求》中李永胜写道：工程思维的特征主要是筹划性思维，规则性思维、科学性与艺术性兼容的思维、综合集成的思维、构建性思维、权衡性思维、殊相性思维、价值性思维、过程性思维、逻辑思维与非逻辑思维相统一的思维、复杂性思维[3]。经过对《化学反应的调控》这节课教材的分析，笔者认为在本节课中可以培养的工程思维有筹划性思维、规则性思维、权衡性思维、价值思维和过程性思维。

1.2 工程思维在化学教学中的体现

现如今，工程思维越来越引起关注，更多的教师也开始注重对学生工程思维的培养。而在化学教学中如何体现工程思维呢？经过笔者思考，认为培养工程思维应当采取创设真实的化工问题情境并以学生解决问题的方式。而工程思维在高中化学中的体现就是学生在解决化工工艺流程的问题过程中，能够以发展的、全面的角度去看待问题，并能够将所学知识运用到其中[4]。

2 基于培养工程思维的教学设计思路

在《化学反应的调控》这节课中如何设置难度恰当的工程问题对教师的教学设计能力来说是个难点。因此在进行本节课的教学设计时，笔者在参考了大量文献和前辈优秀的教学设计之后，通过对《化学课程标准》和教材内容的分析，设计了如下的教学思路(图1)。

图1 《化学反应的调控》教学思路

在人教版高中化学选择性必修一第二章第四节《化学反应的调控》中，基于工程思维培养的教学设计如图1所示。首先通过对新课程标准和教材内容的分析，查阅大量合成氨工业发展史之后，笔者设计了三条主线(活动线、知识线、工程思维发展线)，对整个课时做出明确规划。对学生而言，化学教育的最终目的是为了让他们综合运用化学和其他学科所学知识去解决实际问题，而解决问题的过程恰恰是帮助他们形成化学思维的过程。通过合成氨反应条件的选择与优化的案例，教师以工程问题为主线，不断向学生提出问题，层层递进，让学生结合教师所给的课外信息，在教师的引导下身临其境地去探究合成氨反应过程中需要的条件；针对在投入生产过程中面临的问题找到解决办法。对于教师而言，此过程十分考验教师所提问题的质量水平和对课外知识的把握能力。对于学生来说，在解决问题的过程中，学生不但能够对前面所学“化学反应的速率”、“化学反应的限度”、“化学反应的方向”相关知识进行有效的回顾，还能意识到化学反应原理对工业生产的指导作用和学习化学知识的重要性[5]。

3 基于培养工程思维的教学设计案例

3.1 “化学反应的调控”内容分析

本节课选择“化学反应的调控”作为培养工程思维的案例教学，此节课为一个课时，共包括三个工程任务，教学流程如下：

在进行本节课的教学设计时，首先要对本节课的《化学课程标准》和与该教材相关的内容(教材、合成氨发展史、合成氨工业)进行详细的阅读和研究[6]。然后以“合成氨发展史”作为主线将本节课涉及到的知识整合成一个完整的工程项目，目的在于将本节课进行整体规划。并将完整的工程项目进行拆分，对其中所包含的工程问题进行剖析，力求在学生解决工程问题的过程中培养独立探究的能力，培养工程思维。教学主线如图2所示。

3.2 “化学反应的调控”的教-学-评目标

表1 《化学反应的调控》教-学-评一体目标

3.3 “化学反应的调控”教学设计

表2 《化学反应的调控》教学流程

任务1主要是调动学生思考问题的积极性，通过任务1的思考，学生想到应当考虑经济效益，在理论上产物一定要满足“多”、“快”的条件。为解决任务1学生需要回顾之前所学的影响化学平衡、化学反应速率的因素[7]。选择温度、压强的过程是培养学生工程思维的关键时机，且该环节是教学实际环节，笔者以该环节中合成氨反应条件的选择为例进行如下教学：

教师：通过观察合成氨反应的特点，从化学平衡角度来看，什么条件有利于合成氨？

学生：合成氨反应正反应是体积增大的放热反应，可以选择高压和降低温度来提高氨气的含量。

教师：那如何加快合成氨反应速率呢？

学生：可以升高温度和压强。

教师：从化学平衡角度和化学反应速率两个角度来看，对于压强的要求都是高压，那压强可以一直升高吗？

学生：不能，压强越高意味着所需要设备的强度也越高，危险系数会大大增加，而且所需要的成本也会升高。

教师：是的，我们投入生产不能只考虑产物的生成量，也要考虑安全性和成本。当时哈伯出于多方面的考虑选择了200个大气压，并开始研究该压强下温度对合成氨反应的影响。

教师：化学平衡角度和化学反应速率两个角度来看，对于压强的选择都是高压，而温度前者是低温，后者是高温，这该如何选择呢？

这个问题引发了学生激烈的讨论，有的学生说要低温，有的学生说要高温。

教师：我们先来研究一下低温的方案，请选择低温条件的代表学生发言。

学生1：低温有利于化学平衡向正方向移动，有利于提高氨气的含量。

教师：这位同学回答的是否合理呢？请别的同学做一下补充。

学生2：不合理，低温会降低化学反应速率，氮气的转化率会降低。

教师：的确，我们还需要考虑速率的问题，那高温合理吗？

学生3：不合理，高温会降低氨气的含量。

教师：看来我们选择温度需要考虑其他的因素，请结合我所给的信息提示进行一下温度的选择。

学生：合成氨反应所需要的催化剂铁触媒的活性在500 ℃左右活性最大。而且在500 ℃时，氨的产率并不会降低。

教师：大家的推理很正确，你们的结论和我国现在合成氨工业所需的压强和温度条件是一致的。我们就是要在保证安全，节省成本的前提下尽量去提高氨气的产量和速率。

经过以上学生对压强、温度条件的选择，最后得出最佳反应条件，此过程中让学生意识到化学反应原理对化工生产的指导作用，有利于培养学生的工程思维。

4 设计反思

通过对《化学反应的调控》进行教学设计，以“合成氨的最佳温度是什么”、“合成氨反应的最佳压强是什么”、“反应塔材料如何选择”、“工业生产还需要考虑什么因素”等一系列工程问题为主线来培养学生设计工艺流程的能力，从而培养工程思维。但目前我国对于培养工程思维的研究主要集中在高等教育阶段，中等教育方面的研究较少。而高中生正处于培养思维的关键时期，在新课程标准下，一线教师应多提高自身的能力，充分结合化学与工业生产的实例进行优秀的教学设计从而帮助学生培养工程思维。