工程思维在化学教学中的价值体现*

李艺伟，李晓冬，刘 婷，赵孟丹

(洛阳师范学院化学化工学院，河南 洛阳 471000)

化学不仅是一门以实验为基础的学科，同时也是一门与工业生产紧密联系的学科。在高中阶段，为了能让学生在短时间内接触到更多的化学知识，教师一般采用“填鸭式”教学，这样虽然能够提高学生应对考试的熟练度，但却忽略了化学理论与实际生产的联系。在化学理论投入到工业生产的这个过程，学生不单单需要掌握课本的知识，还需要考虑反应物与生成物的相关性质、绿色生产、安全性以及进行工程活动的成本与经济适用性。而工程思维的运用对于学生思考这些问题是十分有效的。

1 “工程”的定义

提到工程，那就必须要先说一下科学的定义。科学技术与发展中经典的观点认为科学发现先于工程的实际应用。例如，法拉第发现了电磁感应定律，之后人们依据电磁感应的原理制造出了发电机。李伯聪[1]认为工程是创造性的活动，是最直接的生产力。李永胜[2]认为工程就是一种造物的实践活动。而在科学中，科学家们总是会问的问题是“为什么会这样？”，在工程中，工程师问到的问题一般是“怎样才能做到这样？”从问题中，我们就可以清楚的了解到科学是探究真理的过程，工程是以知识的应用为导向，将真理运用到实际生活的过程。

2 “工程思维”的定义

同样，在讲述工程思维时，也有必要提一下科学思维。科学思维是观察和按照一定的顺序分析具体事物之间的联系，找到因果关系，然后将这种联系发展成为抽象的理论的思维方式。而工程思维需要工程师在进行工程活动时充分考虑人的需要，并提供一个解决问题的办法，而且这个办法可能必须是最好的，最经济的和最有效的的解决方案。科学思维得出的结果可以是对人类有利的或者有害的，但是工程思维得出的最后成果需要是积极的[3]。李伯聪[1]最开始在《工程与工程思维》中提出工程思维是工程活动中存在的思维方式。后来李伯聪[4]对工程思维、科学思维、艺术思维进行了区分，认为他们分别对应了“创造”、“发现”、“想象”，而工程思维的目的是将想象的设计结果付诸实践，即工程思维会受到科学思维和艺术思维的共同作用的影响。在实际工程活动中，科学思维与工程思维二者相互促进，相互渗透，科学思维帮工程思维提供理论指导，工程思维又会反过来提供一定的原则和方法。

经过思考，笔者对“工程思维”重新进行了定义，笔者认为工程思维不是对人类已有的知识进行扩展，而是利用已有的知识，为达到明确的目标进行努力的一种思维方式。而工程思维一个重要的特征就是系统性思维，需要综合考虑系统中各个部分、要素之间的相互作用。

3 工程思维现状分析

21世纪以来，已有不少学者开始注重工程思维的培养。衡孝庆[5]将工程思维的结构拆分为工程设计思维、工程实施思维与工程消费思维，并且具有创造性、理性化与标准化的功能。李永胜[2]指出工程思维普遍存在于各种类型的工程活动中，必须要合规律、合目的，还要符合社会等诸多要求。李伯聪[4]认为在培养工程思维的过程中绝不能以科学思维或者艺术思维为核心，要遵循工程思维的规律，且工程思维是一种独立的思维，有自己的特点。刘丹[6]认为工程思维是一种系统性的筹划性思维，每个环节之间相互影响，紧密相连，在生物教学中教师不仅要让学生看到工程思维的价值，也要引导学生反思工程中存在的不足，这样可以拓宽学生的视野，此外教师在进行评价时也应当注重学生的筹划性与创造性。邹国华[7]认为在化学学科中，将化学知识运用到实际生产的过程中包含了工程思维，培养学生的工程思维是十分必要的。

4 化学教学中工程思维的价值体现

4.1 化学教学中工程思维的整体化

在科技日益发展的今天，工程思维已经逐渐成为人们进行活动时常用的一种思维方式。工程思维强调的是以人为主体，“理论联系实际”，将科学知识真正运用到实际生活中。工程思维的整体化就是要求在进行工程活动时，要以全面发展的眼光，一种整体的思路去看待问题，不仅要考虑工程的实用性，美观性还要考虑经济成本，安全性。在化学教学中，这也就是说，工程思维就要求学生在处理工艺流程的问题时，要系统的去考虑反应物与生成物的相关性质以及环保安全性。教师在设置工程任务时，任务的复杂性也应当系统且循序渐进，这些是培养学生工程思维和创造力的基础和前提条件。

4.2 化学教学中工程思维的重要性

由于如今的大学生在解决实际问题时，不知道应该如何去思考问题，更不知道从哪方面去着手，尤其是理工科的更要求学生要具备一定的问题思考的能力和实际操作能力，因此对于高中生工程思维的培养已迫在眉睫。培养工程思维不仅要在高等教育中展开，基础教育中也应该根据教材内容相应发展高中生的工程思维。

4.3 化学教学中工程思维的体现

在化学教学中，教师需要对学生进行理论知识的讲授，但是需要注重学生推理和应用的过程。在理论和实践的整合过程中，教师还需要运用不同的科学技术方法为学生创造相应真实的情境，激发学生想把问题解决掉的欲望。此外化学教学中问题情境的创设十分有利于学生创造性思维的培养，这就要求教师要设置合理可行的问题情境激发学生学习的动机。在化学教学中形成学生的工程思维是一项特殊的工作，涉及到教师在课堂中提出的每一个工程问题，设置工程问题的逻辑，以及让学生熟悉在实践中遇到问题的分析方法和解决办法。化学教师为了让学生积极参与到解决问题的课堂中来，必须在提供一些课外资料的同时解决一些工程问题，刺激学生的心理，鼓励他们完成相应的工程任务。除此以外，工程问题的设置应当循序渐进，学生在解决问题的过程中通过分析矛盾，提出问题，然后进行推理认证从而不断提升工程思维[8]。在人教版高中化学教材中有很多内容可以培养学生的工程思维，有的是在章节后“研究与实践”、“科学·技术·社会”栏目通过提出让学生思考的问题去查阅资料、调查研究或通过补充课外知识讲述化学与生活的联系，在此基础上促进学生工程思维的形成，有的是在正文中进行讲述化学反应对工业生产的指导作用。限于篇幅，笔者以人教版高中化学选择性必修一《化学反应原理》为例整理出其中可培养工程思维的内容如表1所示。

表1 《化学反应原理》体现工程思维的内容Table 1 Principles of Chemical Reaction reflects the contents of engineering thinking

从表1中我们可以明确的看出教材中可以培养学生工程思维的内容比较多，这些都能引导学生通过查阅资料，采用统筹分析的方法，针对某一领域出现的问题进行思考，并设计出简易模型，同时，也有利于激发学生思维的创造性，进而培养工程思维。

4.4 化学教学中如何培养工程思维

4.4.1 挖掘工艺流程图内涵，设计工艺流程图

在化学教材中有很多化工生产的工艺流程，有很多跟学生的实际生活联系较为遥远，例如工业处理废水、工业合成氨的生产、工业提纯溴的工艺流程对学生来说还是较为陌生的，为了方便学生的理解，教材中将这些复杂的工艺流程简化之后来呈现，教师充分挖掘流程图的内涵，对于培养工程思维十分有价值。

以工业合成氨流程图为例，工业合成氨的生产包括原料气的获取，净化、压缩、原料气合成、分离、产品的获得等。教材展示了全面的生产环节，并且对每一个环节的作用都进行了解释说明。在整个生产过程中，每一个环节相互作用，紧密联系，任何一个环节出现问题都会影响整个工艺流程。例如压缩机加压到合理条件之上，会导致反应容器的破裂，从而造成安全问题；温度过高会影响催化剂的活性，导致氨气转化率降低。如果想要保证生产流程的处于最佳条件，保证生产最大化，就需要对影响因素进行综合优化，这个优化的过程也是培养工程思维的关键。

4.4.2 借助实验活动以及题目

在表1中，以《化学反应原理》为例，笔者已列举出可以培养学生的实际操作能力的部分实验活动，在教学中，教师要充分利用好教材中的这些内容，给学生充分的自主时间和空间，让他们根据所学知识去发挥创造性和能动性，此外还要注重对学生的引导[6]。例如，让学生自主设计简易燃料电池；制作暖贴等等都需要要求学生掌握相关理论知识，再应用到实际生活中，培养学生的系统性思维。对于教材中的实验活动，学生在进行分组合作制定方案时，各个小组的方案会有差异，教师应当引导学生观察各组的不同，经过分析比较，对设计方案进行综合优化，最后得出最佳方案。

在进行“沉淀溶解平衡的应用”课程教学时，教材中[思考与讨论]栏目中让学生对沉淀剂进行选择，并陈述自己的观点，教材的课后习题也设置了盐碱地的生活情境，让学生根据所学知识解释石膏可以降低土壤碱性的原因。

4.5 化学教学中工程思维的评价

教师应该对教学活动进行及时的评价，目的是及时进行反思，对教学活动继续进行调整和优化，以便能够更好的促进学生工程思维的发展。教师不仅要对自身进行评价，对学生活动进行评价也是必要的，教师需关注一下学生在设计方案或者模型时的表现，而非最后的设计成果。

5 结 语

笔者认为在教学中培养工程思维教师应当看重的是要设置合理的问题情境以及工程任务、给学生营造轻松欢乐的课堂气氛、给予学生充分的自主权以及课后对工程活动的及时反思[9]。目前，我国对于工程思维的培养还比较集中在高等教育中，基础教育中相对来说比较少，高中教师在培养高中生工程思维的路上还面临着较大的挑战。本文仅仅是起到一个抛砖引玉的作用，希望可以给广大教师提供一个教学思路。