指向工程思维的初中科学项目化学习探究

摘    要：工程思维是一种集系统思维、实践思维和创新思维于一体的综合性思维方式，指向工程思维的初中科学项目化学习可改变学与教的方式。设计指向工程思维的初中科学项目化学习，需要以核心概念为出发点、以核心素养为着力点、以限制因素为突破点、以产品输出为落脚点，体现情境化的真实问题、素养化的项目目标、工程化的项目实施。在具体教学中，教师需要创设问题情境、引导系统分析、搭建实践平台、强化反思总结，从而激发学生的问题意识和创新思维，培养其实践能力，提升其工程思维水平。

关键词：工程思维；项目化学习；初中科学

《义务教育科学课程标准（2022年版）》（以下简称“《义教科学课标》”）中新增了“技术、工程与社会”“工程设计与物化”两个核心概念，但如何开展工程设计等核心概念的教学是目前初中科学课堂教学的重大挑战。浙江省教育厅发布的《关于深化教育教学改革全面提高义务教育质量的实施意见（征求意见稿）》指出，“倡导基于真实情境的学习，开展研究型、项目化、合作式学习，培育学生创新思维品质”。工程思维是指向问题解决，能体现工程活动思维特点的间接和概括性的认知［1］，是一种集系统思维、实践思维和创新思维于一体的综合性思维方式。项目化学习则是一种新的学科学习方式，指学生对真实而有挑战性的问题进行持续探究，创造性地重构知识解决问题，形成富有创意的成果［2］。指向工程思维的初中科学项目化学习可改变学与教的方式，即从单纯地学习知识转变到在解决真实问题中学习知识，注重运用知识解决真实问题。以项目撬动科学学科技术工程的课堂教学变革，可培养学生运用解决工程问题的方法来解决真实情境问题的思维方式与习惯，激发学生的学习内驱力和工程思维力，使学生形成对科学家和工程师职业的高度认同，从而推动对科学工程技术未来人才的培养。

一、指向工程思维的初中科学项目化学习设计原则和核心要素

基于项目化学习实践特点和工程思维本质，设计指向工程思维的初中科学项目化学习时需要遵循四个设计原则、体现三个核心要素。

（一）设计原则

一是以核心概念为出发点。基于《义教科学课标》、学生实际与教材实际，并合理拓展，对项目进行设计，确保项目与学科的相关性和内聚力，引导学生将所学知识应用于真实世界问题的解决，激发学习动力和对知识的价值认知。

二是以核心素养为着力点。注重培育学生的科学核心素养，引导学生在“做”中落实对核心概念的深度学习和深刻理解，形成科学观念；通过学科探究实践提升学生审视问题和解决问题的工程创新思维；在知识应用中培养学生可持续发展等社会责任和价值观。

三是以限制因素为突破点。创设当前社会面临挑战的真实情境，鼓励学生研究和关注如环境变化、水污染、能源等真实问题，而在解决问题的过程中，特别要引导学生关注标准与限制因素，如安全、成本、资源、环境等方面的限制。

四是以产品输出为落脚点。引导学生探索如何应对挑战并找到切实可行的解决方案，然后以设计图和模型制作等形式进行展示，可基于市场需求等现实世界产品的市场化模式来制订有效的推广计划。

（二）核心要素

工程思维是一种注重实践性和创新性的思维方式，强调对真实问题的深入剖析、系统设计和创新解决。因此，指向工程思维的项目化学习的核心要素主要包括以下几个方面。

1.情境化的真实问题

基于真实情境提出项目主题，再将主题目标问题化，构建学科核心概念与真实应用的桥梁。如基于《义教科学课标》中“能源与可持续发展、工程与社会、工程设计与物化”等核心概念，结合前沿科技研究“未来加氢站”素材创设真实情境，根据学生对可持续发展还停留在理论认识的学情，提出“假设你是氢能源专家，请你设计一个安全、经济的未来加氢站”驱动性问题，激发学生持续地去探究。

2.素养化的项目目标

素养导向的项目目标是课堂教学的方向标。以《义教科学课标》、教材、学情结合真实情境提炼整合确定科学观念等四个维度的项目目标，如“未来加氢站”项目学习明确期望达成的素养目标如下。

科学观念：通过氢气的制取和应用实践，树立结构决定性质的化学观念，通过对氢能源的学习，树立正确的能源观念。

科学思维：通过比较分析当前多种制氢、储氢方式的利弊，总结最有前景的未来制氢和储氢方式，并通过探究实践评估方案，形成分析优劣的思维方式。

探究实践：通过设计搭建模型展现未来加氢站的设想，提升学生的创新实践能力。

社会责任：通过氢能源的应用推广和公共安全的思考重视，形成可持续发展的社会责任感。

3.工程化的项目实施

基于工程思维的项目化实践过程主要包含“定义科学问题、限制条件下设计解决方案、构建方案模型、学习成果的表达与交流、项目反思与反馈”五个环节。每个环节都需要设计一些支持性活动，如通过展示交流和评价迭代来完成学习成果的表达与交流，同时在交流评价过程中从整体和局部进行系统分析，根据交流反馈进行方案与模型的调整和优化。这样可以引导学生像工程师一样思考，大胆质疑、追求创新，形成责任态度。“未来加氢站”项目的实施过程如图1所示。

二、指向工程思维的初中科学项目化学习实施策略

学生亲身经历真实世界中的真实问题与影响人类生存与发展的重大问题的解决过程，能激发他们持续进行实践的探究兴趣。如“未来加氢站”项目可让学生经历氢能源这一重大社会项目的思考与实践，提升运用科学知识创造性地解决真实问题的能力，增强可持续发展的社会责任感。

（一）创设问题情境，激发学生的问题意识

笔者创设具有挑战性的问题情境，引导学生主动探究，通过查寻资料、小组合作交流等方式，提炼出一个可研究、可操作的科学问题。

问题情境：随着氢能源技术的迅猛发展，氢能源汽车凭借其低污染、高续航的特点逐渐进入了大众的视野。但目前，工业上高昂的制氢成本和交通上稀少的加氢站严重制约了氢能源汽车的推广。为解决此问题，你有什么设想？

在对这一问题情境的探究中，学生提出了“如何发展具有潜力的廉价制氢技术，并基于此设计合理的未来加氢站”这一问题，同时产生了“如何选择制氢、储氢技术”等子问题。

（二）引导系统分析，激发学生的创新思维

根据未来加氢站项目的需要，笔者设置了加氢站安全保障组、制氢技术组、储氢技术组、加氢站建设工程组，让学生自主选择组成五人学习小组并分工，确定组长、记录员、汇报员、材料管理员和进程管理员，明确各自任务，共同交流如何开展调查研究活动。然后，笔者引导学生对问题进行系统分析，明确问题的核心和关键要素。

加氢站安全保障组结合真实的加氢站事故案例视频展示，交流“未来加氢站安全的重要性和保障措施”等调研学习成果，并与老师共同研讨，确定未来加氢站安全标准。其他小组分别汇报展示调研报告，并分析比较不同的工业制氢、储氢方式的优缺点及加氢站建设工程的要求，通过讨论提出可能的解决方案或突破方向，完善调研报告，形成制氢、储氢等未来加氢站的设计要素，完成本小组的项目规划书。

在对解决问题的多种方案进行比较和选择的过程中，学生可发展创新思维。制氢技术组项目规划书示例如表1所示。

（三）搭建实践平台，培养学生的实践能力

工程思维的核心在于将理论方案转化为工程实践，教师应积极为学生搭建实践平台、提供实验探究工具等支持，为学生创造将设计方案付诸实践的机会。如在“构建方案模型”环节，教师主要是提供光伏制氢实验探究的指导、未来加氢站模型制作的材料工具及其制作方法指导等支持，学生则通过小组合作，利用准备的材料搭建利用太阳能电解水制取氢气的装置，研讨、评价这套装置的优缺点并作改进，以提高制氢效率。

项目化学习成果包括阶段性成果与终结性成果。以“未来加氢站”项目为例，其阶段性成果是一份未来加氢站的安全标准、一份不同工业制氢方法的分析报告、一份不同储氢方式的评估方案、一个太阳能电池电解水制氢装置、一份未来加氢站的设计图，其终结性成果是未来加氢站模型。每个小组对加氢站简易模型成果分别进行展示交流。在某小组的展示过程中，其他小组根据“未来加氢站的设计与模型制作PTA量表”（如表2所示），给予反馈和建议，促进产品的改进迭代。通过PTA量表评价，学生能够更加清晰地了解自己的学习情况，从而明确学习目标和努力方向。

（四）强化反思总结，提升工程思维水平

在项目结束后，学生基于反思性支架对整个项目学习过程进行总结和反思，反思项目的成功之处，分析自己在工程思维方面的优点和不足，并提出改进建议。同时，教师对学生的表现给予及时评价和反馈，帮助学生认识自己的进步和提升空间。该项目完成后，笔者随机抽取了不同层次的10名学生进行访谈，部分访谈问题如下。

（1）你喜欢“未来加氢站”项目吗，为什么？

（2）在完成项目的过程中，你的收获有哪些？你认为还有哪些需要改进的地方？

（3）是什么吸引你去完成该项目任务？请举例说明。

基于访谈结果，笔者设计了项目效果开放式编码（部分如表3所示），以此对学生的关注点进行总结，为后续教学作指引。笔者发现，学生大多喜欢“未来加氢站”项目，认为该项目有趣、有吸引力，有助于全面思考问题，提升问题解决能力和创新思维等。

三、结语

作为一种综合性思维方式，工程思维对培养初中生的创新思维和问题解决能力具有重要意义。指向工程思维的初中科学项目化学习能转变教师的育人观，使教学目标由学科知识本位向学科素养取向转变。在教学中，教师要注重引导学生探索解决问题所需的知识技能，使其主动寻找解决方案，并在真实问题的解决实践中提升工程思维。指向工程思维的初中科学项目化学习也可走进家庭和社会场域，在条件允许时，教师还可邀请行业专家提供反馈和意见，为学生搭建与专业人士面对面的互动机会，促进育人空间和时间的一致性与连续性。

参考文献：

［1］陆庭銮.刍论在化学教学设计型学习中培养工程思维［J］.教学月刊·中学版（教学参考），2023（11）：3-8.

［2］夏雪梅.基于创造性问题解决的项目化学习：一个中国建构的框架［J］.教育发展研究，2021（6）：59-67.

（本文的相关研究和创作得到了浙江省杭州市拱墅区教育研究院院长沈旭东老师和浙江教育出版社原副总编邱连根老师的帮助和支持，在此一并致谢）