工程思維在化學(xué)教學(xué)中的價(jià)值體現(xiàn)*

李藝偉，李曉冬，劉 婷，趙孟丹

(洛陽(yáng)師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471000)

化學(xué)不僅是一門(mén)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，同時(shí)也是一門(mén)與工業(yè)生產(chǎn)緊密聯(lián)系的學(xué)科。在高中階段，為了能讓學(xué)生在短時(shí)間內(nèi)接觸到更多的化學(xué)知識(shí)，教師一般采用“填鴨式”教學(xué)，這樣雖然能夠提高學(xué)生應(yīng)對(duì)考試的熟練度，但卻忽略了化學(xué)理論與實(shí)際生產(chǎn)的聯(lián)系。在化學(xué)理論投入到工業(yè)生產(chǎn)的這個(gè)過(guò)程，學(xué)生不單單需要掌握課本的知識(shí)，還需要考慮反應(yīng)物與生成物的相關(guān)性質(zhì)、綠色生產(chǎn)、安全性以及進(jìn)行工程活動(dòng)的成本與經(jīng)濟(jì)適用性。而工程思維的運(yùn)用對(duì)于學(xué)生思考這些問(wèn)題是十分有效的。

1 “工程”的定義

提到工程，那就必須要先說(shuō)一下科學(xué)的定義。科學(xué)技術(shù)與發(fā)展中經(jīng)典的觀點(diǎn)認(rèn)為科學(xué)發(fā)現(xiàn)先于工程的實(shí)際應(yīng)用。例如，法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)定律，之后人們依據(jù)電磁感應(yīng)的原理制造出了發(fā)電機(jī)。李伯聰[1]認(rèn)為工程是創(chuàng)造性的活動(dòng)，是最直接的生產(chǎn)力。李永勝[2]認(rèn)為工程就是一種造物的實(shí)踐活動(dòng)。而在科學(xué)中，科學(xué)家們總是會(huì)問(wèn)的問(wèn)題是“為什么會(huì)這樣？”，在工程中，工程師問(wèn)到的問(wèn)題一般是“怎樣才能做到這樣？”從問(wèn)題中，我們就可以清楚的了解到科學(xué)是探究真理的過(guò)程，工程是以知識(shí)的應(yīng)用為導(dǎo)向，將真理運(yùn)用到實(shí)際生活的過(guò)程。

2 “工程思維”的定義

同樣，在講述工程思維時(shí)，也有必要提一下科學(xué)思維?？茖W(xué)思維是觀察和按照一定的順序分析具體事物之間的聯(lián)系，找到因果關(guān)系，然后將這種聯(lián)系發(fā)展成為抽象的理論的思維方式。而工程思維需要工程師在進(jìn)行工程活動(dòng)時(shí)充分考慮人的需要，并提供一個(gè)解決問(wèn)題的辦法，而且這個(gè)辦法可能必須是最好的，最經(jīng)濟(jì)的和最有效的的解決方案?？茖W(xué)思維得出的結(jié)果可以是對(duì)人類有利的或者有害的，但是工程思維得出的最后成果需要是積極的[3]。李伯聰[1]最開(kāi)始在《工程與工程思維》中提出工程思維是工程活動(dòng)中存在的思維方式。后來(lái)李伯聰[4]對(duì)工程思維、科學(xué)思維、藝術(shù)思維進(jìn)行了區(qū)分，認(rèn)為他們分別對(duì)應(yīng)了“創(chuàng)造”、“發(fā)現(xiàn)”、“想象”，而工程思維的目的是將想象的設(shè)計(jì)結(jié)果付諸實(shí)踐，即工程思維會(huì)受到科學(xué)思維和藝術(shù)思維的共同作用的影響。在實(shí)際工程活動(dòng)中，科學(xué)思維與工程思維二者相互促進(jìn)，相互滲透，科學(xué)思維幫工程思維提供理論指導(dǎo)，工程思維又會(huì)反過(guò)來(lái)提供一定的原則和方法。

經(jīng)過(guò)思考，筆者對(duì)“工程思維”重新進(jìn)行了定義，筆者認(rèn)為工程思維不是對(duì)人類已有的知識(shí)進(jìn)行擴(kuò)展，而是利用已有的知識(shí)，為達(dá)到明確的目標(biāo)進(jìn)行努力的一種思維方式。而工程思維一個(gè)重要的特征就是系統(tǒng)性思維，需要綜合考慮系統(tǒng)中各個(gè)部分、要素之間的相互作用。

3 工程思維現(xiàn)狀分析

21世紀(jì)以來(lái)，已有不少學(xué)者開(kāi)始注重工程思維的培養(yǎng)。衡孝慶[5]將工程思維的結(jié)構(gòu)拆分為工程設(shè)計(jì)思維、工程實(shí)施思維與工程消費(fèi)思維，并且具有創(chuàng)造性、理性化與標(biāo)準(zhǔn)化的功能。李永勝[2]指出工程思維普遍存在于各種類型的工程活動(dòng)中，必須要合規(guī)律、合目的，還要符合社會(huì)等諸多要求。李伯聰[4]認(rèn)為在培養(yǎng)工程思維的過(guò)程中絕不能以科學(xué)思維或者藝術(shù)思維為核心，要遵循工程思維的規(guī)律，且工程思維是一種獨(dú)立的思維，有自己的特點(diǎn)。劉丹[6]認(rèn)為工程思維是一種系統(tǒng)性的籌劃性思維，每個(gè)環(huán)節(jié)之間相互影響，緊密相連，在生物教學(xué)中教師不僅要讓學(xué)生看到工程思維的價(jià)值，也要引導(dǎo)學(xué)生反思工程中存在的不足，這樣可以拓寬學(xué)生的視野，此外教師在進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)也應(yīng)當(dāng)注重學(xué)生的籌劃性與創(chuàng)造性。鄒國(guó)華[7]認(rèn)為在化學(xué)學(xué)科中，將化學(xué)知識(shí)運(yùn)用到實(shí)際生產(chǎn)的過(guò)程中包含了工程思維，培養(yǎng)學(xué)生的工程思維是十分必要的。

4 化學(xué)教學(xué)中工程思維的價(jià)值體現(xiàn)

4.1 化學(xué)教學(xué)中工程思維的整體化

在科技日益發(fā)展的今天，工程思維已經(jīng)逐漸成為人們進(jìn)行活動(dòng)時(shí)常用的一種思維方式。工程思維強(qiáng)調(diào)的是以人為主體，“理論聯(lián)系實(shí)際”，將科學(xué)知識(shí)真正運(yùn)用到實(shí)際生活中。工程思維的整體化就是要求在進(jìn)行工程活動(dòng)時(shí)，要以全面發(fā)展的眼光，一種整體的思路去看待問(wèn)題，不僅要考慮工程的實(shí)用性，美觀性還要考慮經(jīng)濟(jì)成本，安全性。在化學(xué)教學(xué)中，這也就是說(shuō)，工程思維就要求學(xué)生在處理工藝流程的問(wèn)題時(shí)，要系統(tǒng)的去考慮反應(yīng)物與生成物的相關(guān)性質(zhì)以及環(huán)保安全性。教師在設(shè)置工程任務(wù)時(shí)，任務(wù)的復(fù)雜性也應(yīng)當(dāng)系統(tǒng)且循序漸進(jìn)，這些是培養(yǎng)學(xué)生工程思維和創(chuàng)造力的基礎(chǔ)和前提條件。

4.2 化學(xué)教學(xué)中工程思維的重要性

由于如今的大學(xué)生在解決實(shí)際問(wèn)題時(shí)，不知道應(yīng)該如何去思考問(wèn)題，更不知道從哪方面去著手，尤其是理工科的更要求學(xué)生要具備一定的問(wèn)題思考的能力和實(shí)際操作能力，因此對(duì)于高中生工程思維的培養(yǎng)已迫在眉睫。培養(yǎng)工程思維不僅要在高等教育中展開(kāi)，基礎(chǔ)教育中也應(yīng)該根據(jù)教材內(nèi)容相應(yīng)發(fā)展高中生的工程思維。

4.3 化學(xué)教學(xué)中工程思維的體現(xiàn)

在化學(xué)教學(xué)中，教師需要對(duì)學(xué)生進(jìn)行理論知識(shí)的講授，但是需要注重學(xué)生推理和應(yīng)用的過(guò)程。在理論和實(shí)踐的整合過(guò)程中，教師還需要運(yùn)用不同的科學(xué)技術(shù)方法為學(xué)生創(chuàng)造相應(yīng)真實(shí)的情境，激發(fā)學(xué)生想把問(wèn)題解決掉的欲望。此外化學(xué)教學(xué)中問(wèn)題情境的創(chuàng)設(shè)十分有利于學(xué)生創(chuàng)造性思維的培養(yǎng)，這就要求教師要設(shè)置合理可行的問(wèn)題情境激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的動(dòng)機(jī)。在化學(xué)教學(xué)中形成學(xué)生的工程思維是一項(xiàng)特殊的工作，涉及到教師在課堂中提出的每一個(gè)工程問(wèn)題，設(shè)置工程問(wèn)題的邏輯，以及讓學(xué)生熟悉在實(shí)踐中遇到問(wèn)題的分析方法和解決辦法?；瘜W(xué)教師為了讓學(xué)生積極參與到解決問(wèn)題的課堂中來(lái)，必須在提供一些課外資料的同時(shí)解決一些工程問(wèn)題，刺激學(xué)生的心理，鼓勵(lì)他們完成相應(yīng)的工程任務(wù)。除此以外，工程問(wèn)題的設(shè)置應(yīng)當(dāng)循序漸進(jìn)，學(xué)生在解決問(wèn)題的過(guò)程中通過(guò)分析矛盾，提出問(wèn)題，然后進(jìn)行推理認(rèn)證從而不斷提升工程思維[8]。在人教版高中化學(xué)教材中有很多內(nèi)容可以培養(yǎng)學(xué)生的工程思維，有的是在章節(jié)后“研究與實(shí)踐”、“科學(xué)·技術(shù)·社會(huì)”欄目通過(guò)提出讓學(xué)生思考的問(wèn)題去查閱資料、調(diào)查研究或通過(guò)補(bǔ)充課外知識(shí)講述化學(xué)與生活的聯(lián)系，在此基礎(chǔ)上促進(jìn)學(xué)生工程思維的形成，有的是在正文中進(jìn)行講述化學(xué)反應(yīng)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)的指導(dǎo)作用。限于篇幅，筆者以人教版高中化學(xué)選擇性必修一《化學(xué)反應(yīng)原理》為例整理出其中可培養(yǎng)工程思維的內(nèi)容如表1所示。

表1 《化學(xué)反應(yīng)原理》體現(xiàn)工程思維的內(nèi)容Table 1 Principles of Chemical Reaction reflects the contents of engineering thinking

從表1中我們可以明確的看出教材中可以培養(yǎng)學(xué)生工程思維的內(nèi)容比較多，這些都能引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)查閱資料，采用統(tǒng)籌分析的方法，針對(duì)某一領(lǐng)域出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行思考，并設(shè)計(jì)出簡(jiǎn)易模型，同時(shí)，也有利于激發(fā)學(xué)生思維的創(chuàng)造性，進(jìn)而培養(yǎng)工程思維。

4.4 化學(xué)教學(xué)中如何培養(yǎng)工程思維

4.4.1 挖掘工藝流程圖內(nèi)涵，設(shè)計(jì)工藝流程圖

在化學(xué)教材中有很多化工生產(chǎn)的工藝流程，有很多跟學(xué)生的實(shí)際生活聯(lián)系較為遙遠(yuǎn)，例如工業(yè)處理廢水、工業(yè)合成氨的生產(chǎn)、工業(yè)提純溴的工藝流程對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)還是較為陌生的，為了方便學(xué)生的理解，教材中將這些復(fù)雜的工藝流程簡(jiǎn)化之后來(lái)呈現(xiàn)，教師充分挖掘流程圖的內(nèi)涵，對(duì)于培養(yǎng)工程思維十分有價(jià)值。

以工業(yè)合成氨流程圖為例，工業(yè)合成氨的生產(chǎn)包括原料氣的獲取，凈化、壓縮、原料氣合成、分離、產(chǎn)品的獲得等。教材展示了全面的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，并且對(duì)每一個(gè)環(huán)節(jié)的作用都進(jìn)行了解釋說(shuō)明。在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中，每一個(gè)環(huán)節(jié)相互作用，緊密聯(lián)系，任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題都會(huì)影響整個(gè)工藝流程。例如壓縮機(jī)加壓到合理?xiàng)l件之上，會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)容器的破裂，從而造成安全問(wèn)題；溫度過(guò)高會(huì)影響催化劑的活性，導(dǎo)致氨氣轉(zhuǎn)化率降低。如果想要保證生產(chǎn)流程的處于最佳條件，保證生產(chǎn)最大化，就需要對(duì)影響因素進(jìn)行綜合優(yōu)化，這個(gè)優(yōu)化的過(guò)程也是培養(yǎng)工程思維的關(guān)鍵。

4.4.2 借助實(shí)驗(yàn)活動(dòng)以及題目

在表1中，以《化學(xué)反應(yīng)原理》為例，筆者已列舉出可以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際操作能力的部分實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，在教學(xué)中，教師要充分利用好教材中的這些內(nèi)容，給學(xué)生充分的自主時(shí)間和空間，讓他們根據(jù)所學(xué)知識(shí)去發(fā)揮創(chuàng)造性和能動(dòng)性，此外還要注重對(duì)學(xué)生的引導(dǎo)[6]。例如，讓學(xué)生自主設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易燃料電池；制作暖貼等等都需要要求學(xué)生掌握相關(guān)理論知識(shí)，再應(yīng)用到實(shí)際生活中，培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)性思維。對(duì)于教材中的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，學(xué)生在進(jìn)行分組合作制定方案時(shí)，各個(gè)小組的方案會(huì)有差異，教師應(yīng)當(dāng)引導(dǎo)學(xué)生觀察各組的不同，經(jīng)過(guò)分析比較，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行綜合優(yōu)化，最后得出最佳方案。

在進(jìn)行“沉淀溶解平衡的應(yīng)用”課程教學(xué)時(shí)，教材中[思考與討論]欄目中讓學(xué)生對(duì)沉淀劑進(jìn)行選擇，并陳述自己的觀點(diǎn)，教材的課后習(xí)題也設(shè)置了鹽堿地的生活情境，讓學(xué)生根據(jù)所學(xué)知識(shí)解釋石膏可以降低土壤堿性的原因。

4.5 化學(xué)教學(xué)中工程思維的評(píng)價(jià)

教師應(yīng)該對(duì)教學(xué)活動(dòng)進(jìn)行及時(shí)的評(píng)價(jià)，目的是及時(shí)進(jìn)行反思，對(duì)教學(xué)活動(dòng)繼續(xù)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，以便能夠更好的促進(jìn)學(xué)生工程思維的發(fā)展。教師不僅要對(duì)自身進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)學(xué)生活動(dòng)進(jìn)行評(píng)價(jià)也是必要的，教師需關(guān)注一下學(xué)生在設(shè)計(jì)方案或者模型時(shí)的表現(xiàn)，而非最后的設(shè)計(jì)成果。

5 結(jié) 語(yǔ)

筆者認(rèn)為在教學(xué)中培養(yǎng)工程思維教師應(yīng)當(dāng)看重的是要設(shè)置合理的問(wèn)題情境以及工程任務(wù)、給學(xué)生營(yíng)造輕松歡樂(lè)的課堂氣氛、給予學(xué)生充分的自主權(quán)以及課后對(duì)工程活動(dòng)的及時(shí)反思[9]。目前，我國(guó)對(duì)于工程思維的培養(yǎng)還比較集中在高等教育中，基礎(chǔ)教育中相對(duì)來(lái)說(shuō)比較少，高中教師在培養(yǎng)高中生工程思維的路上還面臨著較大的挑戰(zhàn)。本文僅僅是起到一個(gè)拋磚引玉的作用，希望可以給廣大教師提供一個(gè)教學(xué)思路。