王 斌

(泰州市高港實(shí)驗(yàn)初級(jí)中學(xué),江蘇 泰州 225000)

1 培養(yǎng)工程思維的內(nèi)涵

化學(xué)是一門與生活、生產(chǎn)、社會(huì)緊密聯(lián)系的古老而富有生命力的科學(xué),它的開展對(duì)于推動(dòng)中國科技的發(fā)展和經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展產(chǎn)生了重要的影響.人們從原子和分子角度探索新事物,歸納自然法則,其目標(biāo)不只為了揭示物質(zhì)世界的秘密,也是為了提高人們的生存水平,保護(hù)人們的身體健康,推動(dòng)社會(huì)的文明進(jìn)步.將科學(xué)技術(shù)運(yùn)用于實(shí)際生產(chǎn)與生活之中,是化學(xué)探索的最終目的,它也反映出化工學(xué)科存在的必要價(jià)值.在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用化學(xué)學(xué)科的知識(shí)包括:選擇和控制工藝條件、評(píng)價(jià)經(jīng)濟(jì)效應(yīng)、廢物的再利用和處置.

思維是指解決問題的認(rèn)知過程,是人的一種更高層次的認(rèn)識(shí)行為,它間接、概括地反映客觀事物的性質(zhì)和內(nèi)部關(guān)系.工程思維是一種特殊的思維表示方式,它具有深刻性、靈活性、邏輯性等基本思維特點(diǎn),工程思想還具有與思維總體特性相區(qū)別的突出特點(diǎn),要對(duì)工程思維進(jìn)行深入的認(rèn)識(shí),就必須明確其與科學(xué)和藝術(shù)思維之間的聯(lián)系與區(qū)別.

1.1 創(chuàng)新的工程思維

創(chuàng)新是工程思想最基本的特點(diǎn),它的根本含義是發(fā)明、創(chuàng)造、建造、設(shè)計(jì),其實(shí)質(zhì)是創(chuàng)造“現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品”,是由一系列的工程實(shí)踐活動(dòng)所創(chuàng)造出來的.這并不是一種量的變化,而是隨著時(shí)間的推移發(fā)生質(zhì)的改變.這就需要學(xué)生和實(shí)踐者從設(shè)計(jì)、預(yù)設(shè)的起點(diǎn)開始,在實(shí)踐中,通過直覺和靈感的結(jié)合,在頓悟中創(chuàng)造出創(chuàng)造性的質(zhì)變.創(chuàng)新思維在一定程度上是一種非邏輯的、非線性的思考方式.在實(shí)踐中,人們不僅要進(jìn)行綜合和分析、演繹和歸納、分類和比較等邏輯思考,更需要直覺、直觀、想象、經(jīng)驗(yàn)、靈感、洞察力、頓悟其他非邏輯思考的功能,以達(dá)到創(chuàng)新的目的.

1.2 有情景的工程思維

情景是人在特定的行為中所處于的特定的環(huán)境中,它包含了機(jī)體和外部的環(huán)境.工程實(shí)踐是一種與特定“個(gè)別對(duì)象”緊密相連的、具有強(qiáng)烈的“情境依賴性”的實(shí)踐活動(dòng),它直接面對(duì)并依賴于“事實(shí)情境”,其屬性主要包括背景、知識(shí)和行為三個(gè)方面.同時(shí),工程思維還必須具備特定的情境思維,不能與具體的地點(diǎn)、時(shí)間、空間和環(huán)境相分離,這也為個(gè)體思維和創(chuàng)新思維的發(fā)展創(chuàng)造了條件.

1.3 系統(tǒng)的工程思維

在化學(xué)教學(xué)中,工程思維和科學(xué)思維有著密切的聯(lián)系.需要明確化學(xué)在自然科學(xué)領(lǐng)域,工程思維的內(nèi)涵、培養(yǎng)跨學(xué)科概念和核心思想、科學(xué)與工程實(shí)踐三個(gè)維度,明確科技與工程專業(yè)的學(xué)習(xí)目的等方面的內(nèi)容.在工程實(shí)踐中,常常伴隨著一個(gè)科學(xué)的探索階段,這個(gè)階段既需要發(fā)現(xiàn),又要重視創(chuàng)新.創(chuàng)新需要科學(xué)的支持,只有掌握了科學(xué)的原理、方法和技巧,才能激發(fā)出創(chuàng)意和靈感.在工程實(shí)踐中,創(chuàng)造性思維也是邏輯和想象力相結(jié)合的表現(xiàn),而藝術(shù)思考的關(guān)鍵是要把想象力和思想完美地結(jié)合起來,可以將工程思維定義為:將科學(xué)和經(jīng)驗(yàn)的知識(shí)應(yīng)用到建筑項(xiàng)目、機(jī)器和材料的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中,或完成對(duì)人類有益的項(xiàng)目.

2 提高工程思維的重要意義

2.1 為工程建設(shè)提供思想指導(dǎo)

工程思維是一種用于處理復(fù)雜的實(shí)際問題的思考方法,這一點(diǎn)很重要.工程的兩個(gè)核心就是專業(yè)知識(shí)和工程思維,工程技術(shù)思想能夠?qū)?fù)雜的工程技術(shù)課題提出思路與途徑,同時(shí)又能夠運(yùn)用于具體的實(shí)際中的復(fù)雜方面.

2.2 工程技術(shù)思維的訓(xùn)練對(duì)課程內(nèi)容的教學(xué)產(chǎn)生著積極影響

以化工材料為媒介,探究科學(xué)家與工程師的工作,厘清課本與技術(shù)之間的差異和關(guān)聯(lián),可以更加深入地認(rèn)識(shí)學(xué)科和工作領(lǐng)域的關(guān)系和作用,進(jìn)而調(diào)動(dòng)他們的興趣,引發(fā)他們的好奇心,促使他們對(duì)該領(lǐng)域不斷了解,加深對(duì)學(xué)科知識(shí)的理解.

2.3 培養(yǎng)工程思想,有利于助力學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)

工程思想以科研探究為手段,以工程實(shí)際情況為基礎(chǔ),以問題求解為目的,通過對(duì)項(xiàng)目的系統(tǒng)性和權(quán)衡,使學(xué)生在復(fù)雜的工程環(huán)境中解決問題、團(tuán)隊(duì)合作能力等方面的能力逐漸增強(qiáng).當(dāng)然,培養(yǎng)工程思維,也是為國家培養(yǎng)科研人員、高級(jí)從業(yè)人員的需求.在化學(xué)學(xué)科的核心素養(yǎng)構(gòu)成要素中,工程學(xué)思維因素與其內(nèi)涵存在著許多重疊點(diǎn),培養(yǎng)工程思想也是培養(yǎng)學(xué)科核心素質(zhì)的必要條件.

3 培養(yǎng)工程思維的實(shí)現(xiàn)途徑

科學(xué)與工程學(xué)是相互交叉、相互聯(lián)系、相互融合的,是人們理解和解釋世界的一種理論和法則.科學(xué)探索的總體過程包括:發(fā)現(xiàn)問題、提出假設(shè)、提出問題、解釋、實(shí)驗(yàn)和檢驗(yàn)、表達(dá)和反思;在工程建設(shè)中,“結(jié)構(gòu)不良”“邊界模糊”等問題都是在實(shí)踐中不斷地進(jìn)行優(yōu)化,并通過實(shí)際問題的求解來實(shí)現(xiàn).工程實(shí)踐的總體流程包括:目標(biāo)和問題的確定、問題的初步解決、工程方案的測(cè)試、工程方案的迭代優(yōu)化.實(shí)質(zhì)上,這兩種方法都是針對(duì)特定情景的解決,都是以特定的方式來解決的.

以設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)的教學(xué)模式,有利于培養(yǎng)學(xué)生的工程思維,在實(shí)施這一教學(xué)模式時(shí),需要包括以下幾個(gè)方面:選擇適當(dāng)?shù)墓こ谭桨?為學(xué)生提供特定的教學(xué)材料;探討工程問題的求解方法;學(xué)生們的計(jì)劃、執(zhí)行、修改、溝通、評(píng)估.以設(shè)計(jì)理論為基礎(chǔ),構(gòu)建了一套適合于工程思維的教學(xué)模式.該模式包括以下步驟:創(chuàng)建情景、明確任務(wù)、架橋、連接、設(shè)計(jì)、執(zhí)行、修正、交流、評(píng)估、總結(jié).本文通過運(yùn)用工程問題的解題范式,對(duì)化學(xué)問題的解決進(jìn)行探討,以培養(yǎng)學(xué)生的工程學(xué)思考能力,這與設(shè)計(jì)創(chuàng)作的方法有些區(qū)別,但其教學(xué)模式卻是可以參考的.

科工一體化是培養(yǎng)學(xué)生工程思維的一條行之有效的途徑.在此基礎(chǔ)上,以工程為基礎(chǔ),結(jié)合科研活動(dòng),學(xué)生可以通過這種綜合獲得提高.以工程實(shí)踐為基礎(chǔ)的教學(xué)方式是當(dāng)前比較普遍的一種方法,通過對(duì)工程決策、工程設(shè)計(jì)、工程實(shí)踐、工程評(píng)估等的教學(xué)實(shí)踐,對(duì)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新思維、共贏思維、系統(tǒng)思維、規(guī)劃等方面的訓(xùn)練.在工程實(shí)踐活動(dòng)中,可以從學(xué)生、工程、活動(dòng)、教師、任務(wù)角度進(jìn)行設(shè)計(jì).

第一步:情景提問,決策任務(wù).這是一個(gè)工程任務(wù)的決策過程,完成問題定義、調(diào)查研究、規(guī)劃等;教師以實(shí)際情景引出問題,并引導(dǎo)學(xué)生做出相應(yīng)的決定.項(xiàng)目決策的基本內(nèi)容有兩個(gè):一是確定項(xiàng)目的總體目標(biāo);二是對(duì)整個(gè)工作過程進(jìn)行整體的規(guī)劃,該系統(tǒng)包含了哪些模塊、將要完成的工作以及可以按照項(xiàng)目的要求來確定合理的解決方法,該流程應(yīng)該是一個(gè)循環(huán)型和非線性的.在任務(wù)決策的過程中,教師只能起到指導(dǎo)作用,而不能起到替代作用.學(xué)生是決策的主體,他們能夠獨(dú)立地規(guī)劃和決定項(xiàng)目的總體目標(biāo)和項(xiàng)目過程.

構(gòu)建工程情景具有重要意義,是培養(yǎng)學(xué)生的工程思維的根本.使學(xué)生對(duì)所要解決的工程問題有清晰地認(rèn)識(shí),并能引起他們的興趣.

這一過程必須具有真實(shí)性、開放性、啟發(fā)性和適切性.真實(shí)性原則,是指教師把化學(xué)原料當(dāng)作工程工藝環(huán)境的主體,所處理的事情必須有實(shí)際、有價(jià)值;開放原則是指被設(shè)定的作業(yè)必須符合“結(jié)構(gòu)不良”或“沒有清晰界限”,需要通過探索來尋找答案;啟發(fā)性是所創(chuàng)造的情景能夠幫助學(xué)生進(jìn)行探究解題,啟發(fā)學(xué)生利用已有的知識(shí)與技巧來模仿工程師解決工程問題;適切性是指在設(shè)計(jì)環(huán)境時(shí),要充分考慮到學(xué)生的人生體驗(yàn)和認(rèn)識(shí)程度.而工程問題通常是復(fù)雜的,需要有合適的條件限制和指導(dǎo).

第二步:組織合理,整體設(shè)計(jì).這是一個(gè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)階段.根據(jù)作業(yè)的特點(diǎn),設(shè)計(jì)出特定的探究活動(dòng)和探究點(diǎn),包含材料、信息資料、先行認(rèn)知知識(shí)等.教師協(xié)助學(xué)生搜集材料、整理遺漏的知識(shí)、協(xié)助修正、調(diào)整等.這一環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì),主要是對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整、優(yōu)化,以提高整體設(shè)計(jì)的合理性和價(jià)值.在工程中遇到的問題常常是“結(jié)構(gòu)不良”或者“邊界模糊”,這對(duì)于學(xué)生來說是很困難的,因此要把工程工作分成幾個(gè)研究項(xiàng)目,每一項(xiàng)探究活動(dòng)都可以按要求分解成幾個(gè)任務(wù),這些任務(wù)既可以明確地界定出哪些思考因素可以被包含在教學(xué)中,而且可以幫助學(xué)生找出問題所需的支撐信息.這里的構(gòu)建橋梁包括兩個(gè)方面的含義:一是要打通“工作”和“思維”的障礙,在工程思維和任務(wù)的思考環(huán)節(jié)之間建立起一種連接;二是為解決工程問題提供必要的知識(shí)和技巧,為任務(wù)解決建立起信息的橋梁.

第三步:探索和優(yōu)化設(shè)計(jì).這一環(huán)節(jié)是項(xiàng)目的執(zhí)行.根據(jù)所制定的計(jì)劃、任務(wù)和活動(dòng),進(jìn)行探究性的練習(xí).教師解答問題,幫助學(xué)生突破難點(diǎn),解決疑點(diǎn),并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,確保方案的可行性.在解決工程問題的過程中,可以開發(fā)和提高了工程思維,通過對(duì)現(xiàn)有的知識(shí)與技巧的綜合分析,探討具體問題、解決方案、研究設(shè)計(jì)方法、驗(yàn)證工程合理性的能力,要求教師能夠培養(yǎng)學(xué)生處理具體問題的能力,并掌握工藝設(shè)計(jì)的理性和方法.這一過程是學(xué)校開展工程思想教學(xué)的一個(gè)重要環(huán)節(jié),教師應(yīng)作好探索式研究的主要指導(dǎo)者,要研究具體的工程課題.引導(dǎo)學(xué)生用工程學(xué)的思路去探索,并逐漸修正和改進(jìn).

第四步:進(jìn)行診斷,實(shí)施評(píng)估.這是一個(gè)工程評(píng)估的環(huán)節(jié).學(xué)生們?cè)谡n堂上展示自己的作品,并與大家分享自己的學(xué)習(xí)成果.教師組織溝通、診斷、評(píng)估,并據(jù)此提出改善的對(duì)策和計(jì)劃.評(píng)價(jià)的主要任務(wù),就是通過反饋、調(diào)節(jié)和改善教學(xué)課程,從而提高學(xué)生思維能力的工程教育,而評(píng)價(jià)的重點(diǎn)并不在于對(duì)學(xué)生的項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案的科學(xué)解答,而在于對(duì)其學(xué)業(yè)成績中所反映的工程思維能力有所了解.