陸庭鑾|江蘇省泰州醫(yī)藥高新區(qū)（高港區(qū)）教研室

設計型學習和工程思維都是舶來品。國外涉及設計型學習的三個項目（設計中的學習、基于設計的科學、基于設計的學習），都是確定一個顯性真實的問題，向學生提出挑戰(zhàn)，強調解決問題過程中學習的綜合性、實踐性［1］?！禟-12 教育中的工程：理解現(xiàn)狀和提升未來》指出，工程思維是工程的“思維習慣”，具體包括：系統(tǒng)思維、創(chuàng)造力、樂觀、合作、溝通交流、倫理考慮等［2］。2013 年美國《新一代科學教育標準》提出將科學和工程實踐、核心概念和跨科概念進行有效整合，著力培養(yǎng)學生的創(chuàng)造思維能力。

《義務教育化學課程標準（2022 年版）》（以下簡稱“《課程標準》”）中多處涉及工程思維，如“運用簡單的技術與工程方法設計、制作與使用相關模型和作品的能力”“能運用簡單的技術與工程的方法初步解決與化學有關的實際問題，完成社會實踐活動”“能綜合運用化學、技術、工程及跨學科知識，秉承可持續(xù)發(fā)展觀，設計、評估解決實際問題的方案，制作項目作品，并進行改進和優(yōu)化，體現(xiàn)創(chuàng)新意識”。因此，化學教學中，教師可在分析設計型學習和工程思維這二者特征的基礎上，以設計型學習實踐引導學生提升工程思維，培養(yǎng)設計、制作、使用、評估、優(yōu)化、創(chuàng)新等能力，提升核心素養(yǎng)。

一、設計型學習和工程思維的特征分析

對設計型學習和工程思維的要素進行分析，旨在引導學生對要素之間的匹配形成一定的認識，便于后續(xù)通過針對性設計達成對工程思維的培養(yǎng)。

（一）設計型學習的特征分析

通過研究設計型學習的相關文獻，筆者歸納出其關鍵性要素為：經(jīng)驗、問題、迭代與反思。設計型學習的特征是基于經(jīng)驗、始于問題、優(yōu)于迭代、深于反思。

設計是經(jīng)驗認識的再創(chuàng)造。設計就是對已有的經(jīng)驗進行改造、再創(chuàng)造的過程，即圍繞真實的劣構問題中人工制品的功能、標準與結構進行的一系列活動［3］。學習者需要通過已有的顯性經(jīng)驗與隱性經(jīng)驗認識和了解項目或工程產品的結構、功能等，解構變量之間的因果關系，同時用已有的經(jīng)驗去認識、闡釋再創(chuàng)造的過程與設計的產品。在這一過程中，學習者所積累的經(jīng)驗能夠得到篩選與優(yōu)化，而這些又會助力學習者獲得持久的知識、技能及思維習慣，使其最終成長為積極的、自主性很強的問題解決者。

有意義的問題是設計的核心。對于真實的劣構問題的設計與架構，有學者指出：設計者必須形成一個針對問題的設計情境，設置它的邊界，選擇特定的需要關注的事物和關系［4］。首先，設計者需對知識進行結構系統(tǒng)分析，以確定設計型問題的形態(tài)、方式及呈現(xiàn)形式。結構系統(tǒng)分析包括學習環(huán)境分析、學生需求分析、學習目標分析、核心概念分析等。設計型問題的形態(tài)、方式及呈現(xiàn)形式會因主題、學習要求、學習目標的差異呈現(xiàn)出差別，具體如表1所示。其次，設計者要準確把控設計型問題的復雜性和真實性。也就是說，設計者需考慮問題所涉及的知識點、問題的思維含量、問題的變量多少等，應體現(xiàn)關聯(lián)（與學生的生活實際相關聯(lián)）、共鳴（與學生的經(jīng)驗世界產生共鳴）、意義（對發(fā)展學生的知識、技能、思維有意義）。

表1 設計型問題的形態(tài)、方式及呈現(xiàn)形式

迭代優(yōu)化是深度學習的體現(xiàn)。設計型學習大體可以概括為三個環(huán)節(jié)：概念化，建構與測試，獲取知識。它們之間的關系不是線性和累加的，而是相互連通、互為學習的起點和終點。在具體實踐中需要做到如下兩點：一是通過小組合作，于方案的迭代修改中，對“假定”逐步進行完善，從而達到初步設計的目的；二是通過對測試的反饋，收集相關數(shù)據(jù)，判斷測試方案與目標的契合度以及新產品各項指標的優(yōu)劣等。教師可通過“提取法則”把代表性觀點與成果匯總呈現(xiàn)給學生，帶領學生綜合分析，對設計的方案、構思的路徑進行調整，對產品的原型標準指標進行修改，反饋后，再經(jīng)過循環(huán)環(huán)節(jié)進行實踐，并將行動與目標聯(lián)合起來，直至達成設計目的。迭代的價值體現(xiàn)在如下兩個層面：顯性層面，獲得了功能、標準與結構相匹配的產品；隱性層面，是高階深度學習的重要途徑。如此，通過迭代、反復，教師引導學生不斷調整思維方式、方法，尋找更合理的途徑，以適應、解釋客觀世界，化解認知沖突，發(fā)展心智能力，完善認知結構。

（二）工程思維的特征分析

工程思維是指向問題解決，能體現(xiàn)工程活動思維特點的間接和概括性的認知。工程活動涉及科學、技術及其他學科知識，需要以綜合性和多視角的方式權衡考慮，因此工程思維除了具備一般思維的特征，即靈活性、深刻性、邏輯性外，還具有一些突出的特征，如創(chuàng)新性、情境性、系統(tǒng)性等。

工程思維本質上是創(chuàng)造、發(fā)明、設計和建造［5］，創(chuàng)新是其基本特征。在工程決策、工程設計、工程實踐與工程評價的過程中，學習者需要運用直覺、靈感和頓悟等進行一系列活動，迸發(fā)出創(chuàng)新性思維，它們往往是非線性和非程序性的。在整個過程中，學習者用有價值的經(jīng)驗不斷發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)造。

工程思維更依賴于活動情境。工程思維更多的是直面事實、活動、生活與社會，應滿足一定的社會需要，實現(xiàn)并創(chuàng)造更大的價值目標。從此意義上講，情境性與價值性相關聯(lián)。真實的情境不是虛擬的或理想化的場景，而是由人、物、技術、社會、信息構成的綜合體，涉及的知識、手段具有多樣性。從此意義上講，情境性與復雜性相關聯(lián)。

工程思維最顯著的特征是系統(tǒng)性。需要多角度、多知識、多價值地權衡、比較、優(yōu)化，才能達到系統(tǒng)化因素的動態(tài)平衡。系統(tǒng)即創(chuàng)新，體現(xiàn)在工程實踐中，即應然與實然、理想與現(xiàn)實、比較與優(yōu)化的一種籌劃性思維，設計者要以此確定目標、方案和行動策略等。

（三）設計型學習各階段的工程思維分析

從設計型學習和工程思維的特征分析可知，設計型學習需要工程思維，且會提升工程思維的水平。為了有效地開展設計型學習，提升工程思維，筆者將設計型學習與工程活動各步驟及需培養(yǎng)的工程思維對應并進行分析，具體如表2 所示。通過對比，筆者發(fā)現(xiàn)，二者在本質上是一致的，設計型學習的過程就是某一具體的工程活動的實踐過程。

表2 設計型學習與工程活動各步驟及需培養(yǎng)的工程思維分析

二、在設計型學習中培養(yǎng)工程思維的路徑探究

對于在設計型學習中培養(yǎng)工程思維的路徑，很多學者進行了研究與總結，較為典型的有：創(chuàng)設情境、明確任務—分解任務、搭建橋梁—探究方案、修改方案—關注表現(xiàn)、及時評價［6］；情境引問、任務決策—先行組織、整體設計—探究實踐、優(yōu)化設計—實施診斷、表現(xiàn)評價［7］；界定任務—建構模型—制作產品—作品發(fā)布［8］。以下，筆者結合上述觀點，從工程、學生、教師與活動等視角建構框架，對在設計型學習工程活動中培養(yǎng)工程思維展開具體闡述，并重點強調和梳理實現(xiàn)路徑中的關鍵問題，以便有針對性地開展設計型學習，培育學生的核心素養(yǎng)。

（一）情境引問、任務決策階段——培養(yǎng)工程決策能力

工程思維實質上是通過一個具體的情境問題，指導學生學會運用系統(tǒng)分析和比較權衡的方法進行綜合實踐。它突顯籌劃性思維，要求學生運用化學核心素養(yǎng)解決相關問題。此階段主要通過情境引出問題，再以任務引導學生決策，以此培養(yǎng)學生的工程決策能力。此能力主要體現(xiàn)在四個方面：提出有價值的問題的能力；結合任務提出解決問題的方案的能力；根據(jù)任務確定目標的能力；分解任務發(fā)展綜合權衡的能力。

在此階段，教師需要完成三個環(huán)節(jié)：情境創(chuàng)設、問題提出、決策引導。首先，教師需要基于學生已有的生活與社會認知基礎，創(chuàng)設真實的工程情境；其次，圍繞真實的工程情境，教師要適時提出真實的工程問題，引導學生圍繞工程問題進行工程決策。

在此階段，學生需要進行工程決策并完成多個環(huán)節(jié)，包括任務界定、目標決策、計劃制訂、方案選擇、優(yōu)化完善等。在工程問題的引導下，學生先根據(jù)問題確定需要完成的任務，再根據(jù)任務研討出需要掌握的相關知識，理出完成任務的思路與方案，形成完成任務的計劃。由于此過程是非線性的，需要不斷地進行優(yōu)化與調整，而方案的選擇和計劃的制訂也會反過來促進任務的進一步明確與界定，因此教師所起的作用是啟發(fā)性、輔助性的，整個決策的主體應是學生，即學生通過分工與合作，解決任務決策。

以課題“基于特定需求設計和制作供氧器”為例，圍繞特定需求進行任務決策，此階段角色分工、環(huán)節(jié)及具體任務如表3所示。

表3 情境引問、任務決策階段的角色分工、環(huán)節(jié)及具體任務

（二）先行組織、整體設計階段——培養(yǎng)工程設計能力

此階段通過科學與工程整合方式進行整體系統(tǒng)思考與設計，是整個過程的核心與關鍵，是取得工程實踐的基礎和保障。學生通過小組合作、交流討論、初步設計及優(yōu)化調整等完成模型設計，主要有兩種形式：設計探究型，以科學探究為主，以工程設計為支撐或依據(jù)；應用延伸型，以工程設計為主，以科學探究為支撐或依據(jù)。此階段應著力培養(yǎng)學生的工程設計能力，主要表現(xiàn)為五個方面：從已有認知中提取知識的經(jīng)驗轉化能力；對方案的分析與綜合能力；尋求設計的理論與實踐證據(jù)并加以推理的能力；初步設計出應用的模型并形成模型認知能力；小組合理表達、分享并作出解釋的能力。

此階段，教師的關鍵作用是引導學生進行有效度的合作學習，具體需要經(jīng)歷如下環(huán)節(jié)：引導學生明確設計的任務（結構、功能、程序），科學分配形成合作小組；引導學生準備相關材料，指導解決設計疑惑，保障完成工程設計。學生需要在教師的指導下通過自主和合作學習完成模型設計，并完成多個環(huán)節(jié)與任務，包括資料學習、原理確定、結構設計、程序設計等。

以課題“基于特定需求設計和制作供氧器”為例，此階段的角色分工、環(huán)節(jié)及具體任務如表4所示。

表4 先行組織、整體設計階段的角色分工、環(huán)節(jié)及具體任務

（三）探究實踐、優(yōu)化設計階段——培養(yǎng)工程實踐能力

在此階段，學生依據(jù)工程任務、工程設計進行探究實踐，先檢驗設計的科學性與合理性，再檢驗決策與設計的合理性，提升實踐操作能力。這實際上是在踐行《課程標準》提出的“做中學”“用中學”“創(chuàng)中學”理念。迭代優(yōu)化是此階段的核心。此過程著重培養(yǎng)學生的工程實踐能力，主要體現(xiàn)在四個方面：精選材料、比較篩選的能力；動手操作、勇于嘗試的能力；細心求實，觀察、實驗的能力；分析、協(xié)調，質疑調整優(yōu)化的能力。

在此階段，學生需要在教師的幫助下進行探究實踐，優(yōu)化設計。具體環(huán)節(jié)包括選擇模型材料、搭建模型裝置、進行模型操作、調試優(yōu)化模型。在這四個環(huán)節(jié)中，學生分別需要做到：根據(jù)模型設計方案，在節(jié)約資源和優(yōu)化材料的原則下選擇相關器材；根據(jù)所選器材，熟練運用所學知識，搭建裝置；按照程序設計的步驟進行操作，保證操作的流暢性、簡潔性；根據(jù)定性、定量要求操作調試模型，并及時調整優(yōu)化。

在此階段，為了完成設計的既定目標，教師雖不提供具體的實施意見，但要為學生答疑解惑，幫助學生在解決問題的過程中迭代優(yōu)化設計。以課題“基于特定需求設計和制作供氧器”為例，此階段的角色分工、環(huán)節(jié)及具體任務如表5所示。

（四）實施診斷、表現(xiàn)評價階段——培養(yǎng)工程評價能力

此階段為實施評價階段，根據(jù)《課程標準》的理念與要求，要以評促教、以評促學、以評育人，實施“教—學—評”一體化。學生展示作品、分享成果，教師引導學生通過自評、互評、師評等形式，對作品實施定性與定量評價，提出改進實施的方案。從某種意義上講，評價是創(chuàng)造［9］，是發(fā)展。通過評價可培育核心素養(yǎng)，培養(yǎng)有創(chuàng)造力的人。

評價的對象不應是最終的方案與作品，而應是在整個設計過程中學生表現(xiàn)出的工程思維水平［10］。評價的方式可按多維度進行，有兩種比較典型的劃分：一是根據(jù)工程階段劃分（如工程決策階段、工程設計階段、工程實踐階段）診斷評價學生的能力水平，具體如表6 所示；二是根據(jù)工程思維的要素劃分（如價值性、籌劃性、系統(tǒng)性）診斷評價學生的能力水平，具體如表7所示［11］。

表6 工程思維水平評價（按工程階段劃分）

表7 工程思維水平評價（按工程思維的要素劃分）

綜上，設計型學習是培養(yǎng)學生工程思維的重要途徑，教師可通過“情境引問、任務決策”“先行組織、整體設計”“探究實踐、優(yōu)化設計”“實施診斷、表現(xiàn)評價”等階段的具體實施，引導學生在實踐中修正和完善方案設計。在此過程中，教師還要優(yōu)化設計型學習的途徑、方法及評價標準，強化學生運用系統(tǒng)性思維解決真實情境下劣構問題的意識，切實提升學生的核心素養(yǎng)。