設(shè)計型學(xué)習視角下以化學(xué)教學(xué)培養(yǎng)工程思維的實踐

李月（江蘇省泰州市野徐初級中學(xué) 225326）

在當下開展學(xué)科教育不能僅關(guān)注書本知識，更要注重挖掘?qū)W科中的資源，培養(yǎng)學(xué)生解決問題的能力。初中化學(xué)學(xué)科與工程具備緊密的聯(lián)系，往往需要學(xué)生投入思考，通過動手動腦完成作品。因此，本文擬借鑒設(shè)計型學(xué)習的視角，探討以初中化學(xué)教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生的工程思維。

一、相關(guān)概念概述

1.設(shè)計型學(xué)習

設(shè)計型學(xué)習，又稱基于設(shè)計的學(xué)習或設(shè)計中學(xué)，是一種面向設(shè)計實踐的學(xué)習形式，要通過設(shè)計完成任務(wù)。從學(xué)習目標上看，設(shè)計型學(xué)習指向?qū)W科素養(yǎng)的養(yǎng)成，不僅要鞏固相關(guān)知識，更要培養(yǎng)學(xué)生內(nèi)在的素養(yǎng)。學(xué)生在設(shè)計型學(xué)習中獲得的素養(yǎng)，可遷移運用在其他學(xué)習與實踐情境下，令學(xué)生終身受益。設(shè)計型學(xué)習與初中化學(xué)的本質(zhì)定位具有密切的聯(lián)系，是學(xué)科教學(xué)中基本的教學(xué)法，同時也是指引教學(xué)實踐的科學(xué)理念。從學(xué)習方法上看，設(shè)計型學(xué)習以一定的項目為依托，通過整合知識與應(yīng)用的方式開展學(xué)習。福特斯（Fortus）指出，設(shè)計型學(xué)習以設(shè)計物品為出發(fā)點，提出基于設(shè)計的科學(xué)方法，其中的步驟可以包括確認情境、背景分析、形成觀點、建立作品等。從學(xué)習內(nèi)容上看，設(shè)計型學(xué)習不是對已有知識的學(xué)習，而是要將學(xué)習過的知識與信息組合為新的構(gòu)件，其中融入了思維的能動性。

2.工程思維

工程思維是人腦中的思維方式之一，是人們在進行工程設(shè)計、實踐過程中形成的一種思維方式，指人們在發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題時使用的思維工具，其中包含多個要素。工程思維指向?qū)嵺`，要為解決問題服務(wù)，指能夠根據(jù)實踐目標理順知識、組織思維活動的能力。工程思維主要包括：系統(tǒng)性思維，即從整體和全局出發(fā)進行思考的思維，強調(diào)關(guān)注各部分之間的聯(lián)系；籌劃性思維，即根據(jù)具體目標形成良好方案，厘清各個工作步驟并進行妥善安排的思維能力；創(chuàng)新性思維，指通過批判性、開放性的思考發(fā)現(xiàn)解決問題的獨特方法，并通過具體的工程步驟達成目標的思維方式；價值性思維，指主體除關(guān)注技術(shù)問題外，還要能夠明辨價值問題，如產(chǎn)品對人類生活的價值以及工程過程產(chǎn)生中的科學(xué)倫理問題等。具備工程思維的個體將能夠更好地應(yīng)對現(xiàn)實生活中的問題，理解社會生產(chǎn)生活中的各種現(xiàn)象，適應(yīng)現(xiàn)代社會對人才素質(zhì)的要求。

二、設(shè)計型學(xué)習視角下以化學(xué)教學(xué)培養(yǎng)工程思維的實踐探究

1.挖掘教材資源，設(shè)計實驗方案

對實驗方案的設(shè)計是初中化學(xué)教學(xué)中的重要設(shè)計任務(wù)，具體包括對實驗步驟和實驗材料的設(shè)計。教師可以結(jié)合教材中的資源，引導(dǎo)學(xué)生自主設(shè)計實驗方案，并以設(shè)計過程培養(yǎng)學(xué)生的工程思維。

（1）立足實驗原理，開展設(shè)計

設(shè)計任何實驗都要從基本原理出發(fā)，符合科學(xué)研究的本質(zhì)方法。對實驗原理的牢固把握，有助于培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)性思維和籌劃性思維，讓學(xué)生掌握工程的基本流程。在開展實驗設(shè)計時要以實驗原理作為基本的立足點，引導(dǎo)學(xué)生從實驗原理出發(fā)去安排實驗步驟以及選擇材料。例如，在《物質(zhì)溶解過程中的能量變化》一節(jié)的實驗中，要求研究硝酸銨、氯化鈉和氫氧化鈉三種物質(zhì)的熱量變化。教師先引導(dǎo)學(xué)生回顧以往開展實驗的經(jīng)歷，對變化值展開研究，并讓多名學(xué)生回答問題。教師再進行歸納總結(jié)，提出“控制變量”的實驗原理，再讓學(xué)生思考問題：“在本實驗中，哪些量是變量，哪些量是不變量？在本實驗中如何控制變量？如何對實驗結(jié)果進行測量？”當學(xué)生了解了實驗原理后，教師再讓學(xué)生進行思考和交流，開展實驗設(shè)計。以上教學(xué)，有助于培養(yǎng)學(xué)生從整體與全局出發(fā)進行思考的習慣，幫助學(xué)生提升分析問題和解決問題的能力，發(fā)展工程思維。

（2）對比多種方案，明確差異

基于同樣的實驗?zāi)繕丝赡墚a(chǎn)生不同的實驗方案，可能產(chǎn)生差異化的材料、步驟。首先，設(shè)計型學(xué)習的過程不是學(xué)生的機械操作，而是學(xué)生運用開放性思維展開探索、設(shè)計與實踐的過程。因此，在創(chuàng)設(shè)任務(wù)時要鼓勵學(xué)生沿不同的方向展開思考，設(shè)計多元化的方案。其次，教師引導(dǎo)學(xué)生對比多種方案、感受異同，提升學(xué)生對實驗設(shè)計的認識。例如，在滬教版教材第四章第二節(jié)《化學(xué)反應(yīng)中的質(zhì)量關(guān)系》中包含一個任務(wù)：請設(shè)計一個實驗，證明普通紙張中含有碳元素。在開展教學(xué)時，教師可以對這個實驗任務(wù)進行適度拓展，將其調(diào)整為如下形式：請設(shè)計一個實驗，證明普通紙張中含有碳、氫元素。對于本實驗，學(xué)生設(shè)計出了三種方案。

方案一：將點燃紙張后的氣體通入澄清石灰水，然后再通過無水硫酸銅，發(fā)現(xiàn)澄清石灰水變渾濁，無水硫酸銅變成藍色，證明該氣體內(nèi)含有二氧化碳和水，從而證明紙張中有碳、氫元素。

方案二：將紙點燃，火焰上方罩一個干冷的燒杯，如果燒杯內(nèi)壁出現(xiàn)水霧，則表明紙中含有氫元素；將紙點燃，火焰上方罩一個內(nèi)壁涂有石灰水的燒杯，如果燒杯內(nèi)出現(xiàn)渾濁，則表明紙中含有碳元素。

方案三：將紙點燃，在火焰上方罩一個干冷燒杯，如燒杯內(nèi)壁現(xiàn)水霧，表明紙中有氫元素；向杯內(nèi)注入少量澄清石灰水，振蕩，石灰水變渾濁，表明紙中含有碳元素。

教師引導(dǎo)學(xué)生對比三項方案，從準確性、時長以及耗材三方面對設(shè)計方案進行評估。最終，學(xué)生提出“方案三”為最佳方案，其既可保障實驗正確性，又能夠節(jié)省材料。本次學(xué)習活動有助于培養(yǎng)學(xué)生的籌劃性思維、價值性思維，讓學(xué)生學(xué)會根據(jù)具體目標選用合適的材料，并從各方面進行價值評估，提升學(xué)生應(yīng)對實際問題的能力。

2.制定具體目標，設(shè)計實用裝置

對實用裝置的設(shè)計更多地突出了動手操作的要素，要求學(xué)生能夠正確處理生活中的各種物質(zhì)和材料，將其有計劃地進行裝配以發(fā)揮特定的功能。此方面的設(shè)計可以培養(yǎng)學(xué)生的工程思維，能夠讓學(xué)生掌握產(chǎn)品設(shè)計與產(chǎn)出的規(guī)律。以下結(jié)合“設(shè)計污水凈化器”的活動，探討設(shè)計型學(xué)習。

（1）思維引領(lǐng)，有序設(shè)計

科學(xué)實踐活動應(yīng)以清晰的思維引領(lǐng)，認知的正確性是保障設(shè)計有效性的前提。實用裝置設(shè)計活動的最終目標是要創(chuàng)造具體的物品，但出發(fā)點則具有條理性和創(chuàng)新性的思維。在“設(shè)計污水凈化器”的活動中，教師引導(dǎo)學(xué)生開展三個步驟的思維活動。首先，明確凈化的原理，除去水中的固體雜質(zhì)和懸浮物，消毒，除異味；其次，根據(jù)凈化的原理確定適宜的凈化材料和裝配方式，明確過濾層的結(jié)構(gòu)；最后，明確實驗中其他輔助材料以及材料的裝配方法，畫出設(shè)計圖，再列出凈化步驟。其中前兩個環(huán)節(jié)在課堂中完成，教師通過問答法和講授法讓學(xué)生厘清思路，獲取答案。對于第三個步驟，則讓學(xué)生在課后通過小組合作的方式完成。教師鼓勵學(xué)生在小組內(nèi)展開討論，思考各種細節(jié)，如怎樣給污水消毒、如何讓污水從凈化器中流出、準備哪種容器回收用材等。以思維活動引領(lǐng)設(shè)計過程，可以讓學(xué)生懂得每個步驟的由來，同時養(yǎng)成縝密的思維習慣，學(xué)會圍繞目標進行規(guī)劃，發(fā)現(xiàn)適應(yīng)現(xiàn)代社會必不可少的工程思維。

（2）實踐應(yīng)用，反思評述

陶行知先生曾經(jīng)提出“教學(xué)做合一”的思想，認為“教學(xué)做是一件事，不是三件事”，“教”和“學(xué)”應(yīng)統(tǒng)一于“做”。在“做”的活動中可以加深“學(xué)”的深度，“教”的活動也將獲得新的著力點。只有當個體參與實踐時，才能夠了解影響事物的各個因素，收獲個性化的感悟與經(jīng)驗。在將知識應(yīng)用于實際生活時，學(xué)習者會對知識本身產(chǎn)生更深的認識?！霸O(shè)計污水凈化器”活動的最后一個環(huán)節(jié)是將污水凈化裝置投入實踐，應(yīng)用它凈化污水，即“做”的環(huán)節(jié)。在此環(huán)節(jié)后，教師要引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)動手操作的結(jié)果進行反思與評述，總結(jié)設(shè)計經(jīng)驗。一方面，要總結(jié)正面的經(jīng)驗，歸納開展設(shè)計型學(xué)習的要點，提煉科學(xué)實踐的規(guī)律；另一方面，也要關(guān)注“做”的過程中產(chǎn)生的誤差，開展回溯性思考，從錯誤中學(xué)習。在設(shè)計活動的初期，學(xué)生對成果往往有理想化的期待，開展活動時，卻會發(fā)現(xiàn)一些意外情況。如有的學(xué)生發(fā)現(xiàn)水仍然有些污濁，可能源于初期未能“緩緩倒水”，導(dǎo)致過濾層被沖散；有的學(xué)生沒有使用明礬處理污水，導(dǎo)致水中有一些顆粒物與水分離不足等。教師可以向?qū)W生派發(fā)《設(shè)計型學(xué)習活動報告單》，讓學(xué)生總結(jié)實踐學(xué)習的經(jīng)驗，讓學(xué)生總結(jié)本次工程任務(wù)實施前后的事項，明確工程設(shè)計的注意事項，并發(fā)展工程評價能力。

3.關(guān)聯(lián)實際生活，設(shè)計問題解決方案

應(yīng)用化學(xué)知識可以解決實際生活中的問題。教師可以從實際生活中提取具體問題，引導(dǎo)學(xué)生設(shè)計問題解決方案，如滬教版教材《氫能》一節(jié)中展示了用光伏板吸收太陽能，再用太陽能電解水制取氫氣，然后轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芘c熱能的過程。教師可以創(chuàng)設(shè)討論活動：“請你設(shè)計出其他儲存太陽能的方案?！北敬卧O(shè)計型學(xué)習活動無須進行動手操作，不要求使用材料外化為人工制品，教師主要引導(dǎo)學(xué)生從科學(xué)的可行性上考慮，結(jié)合自己的化學(xué)知識推理。課中交流討論，學(xué)生在四人小組內(nèi)展開討論，從多向度展開思考，生成多種設(shè)計方案。教師再讓學(xué)生分享自己的觀點，如利用某些有適合熔點和較大熔化熱的物質(zhì)，白天在陽光照射下熔化吸熱，夜晚凝固放出熱量；利用太陽能發(fā)電，再將其存入蓄電池等。對問題解決方案的思考可以培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)想象力，讓學(xué)生發(fā)展工程思維中必不可少的創(chuàng)新性思維。

三、結(jié)語

基于設(shè)計型學(xué)習理論開展初中化學(xué)教學(xué)，符合化學(xué)科學(xué)的本質(zhì)規(guī)律，運用于實踐中具有旺盛的生命力。初中化學(xué)教學(xué)中的設(shè)計型學(xué)習活動具有實踐性，與具體的問題息息相關(guān)，要求學(xué)生活用知識解決問題，有助于培養(yǎng)學(xué)生的工程思維。教師要多立足化學(xué)課程與生活之間的關(guān)聯(lián)開展教學(xué)，創(chuàng)設(shè)不同的設(shè)計任務(wù)，讓學(xué)生親歷解決實際問題的全過程，進而在此過程中收獲豐富的思維體驗，發(fā)展工程思維，提升學(xué)科核心素養(yǎng)。