基于工程思维的初中科学运动和力教学法

摘要：工程思维强调实践性、系统性与创新性，将其融入初中科学教学有助于培养学生解决实际问题的能力。本文以“运动与力”为例，结合工程思维的核心要素，提出通过情境化项目设计、跨学科整合及实践操作等策略，构建以学生为中心的探究式课堂。教学实践表明，工程思维能有效提升学生对科学原理的理解深度，同时强化技术应用与工程实践意识，为科学核心素养的落地提供新路径。

关键词：工程思维；运动与力；教学策略；初中科学

当前科学教育愈发注重学科核心素养的培养，而工程思维的融入成为改革的重要方向。工程思维以问题解决为导向，强调设计、优化与系统性分析，这与科学教学中“运动与力”模块的知识特点高度契合。传统教学多聚焦概念记忆与公式推导，学生难以建立知识与实际应用的联系。通过引入工程思维，可将抽象的力学原理转化为具象的工程问题，从而激发学生的探究动力，培养其科学推理与技术实践能力。

一、工程思维的内涵及其与科学教学的融合

工程思维强调在真实情境中通过“设计-实践-优化”的闭环提升问题解决能力，其本质是将科学原理转化为技术方案的逻辑重构。在初中“运动与力”教学中，教师可依托教材中“技术与工程”模块创设工程任务，如围绕“地震预警系统设计”项目展开教学：学生需结合地球板块运动规律，分析地震波传播过程中力的作用方式，进而设计具备震动感应与预警功能的简易装置。这一过程既需要理解板块挤压产生的能量传递原理，又需考虑传感器灵敏度、结构稳定性等技术参数，本质上是通过工程实践将抽象的力学知识转化为可操作的技术模型。

新版教材通过“像工程师那样实践”主题活动，为学生提供了系统化的工程思维训练载体。在地震预警项目中，学生经历需求分析（明确预警精度要求）、方案设计（选择传感器类型与安装位置）、原型制作（搭建物理结构）和测试优化（调整预警触发阈值）的完整流程，这种迭代式学习不仅强化了“力改变物体运动状态”的核心概念，更培养了跨学科整合能力——将电子传感技术融入地质运动分析，体现了科学教育与工程技术的内在关联。相较于传统教学，此类工程任务通过真实的技术转化过程，可帮助学生建立起“科学发现支撑技术创新，技术应用反哺科学认知”的思维闭环，这正是核心素养导向的科学教育改革的实践路径。

二、基于工程思维的”运动与力”教学策略

（一）项目式学习驱动深度探究

工程思维的核心在于以真实问题为起点，通过系统性任务设计推动知识的深度理解与迁移应用。在“机械运动”单元教学中，教师可围绕“自动投石机模型设计”项目展开阶梯式探究。学生需首先分析投石机的运动轨迹与杠杆原理的关系，明确“投射距离”与“力臂长度”“配重质量”等变量的关联性，继而通过模拟实验验证理论假设。在迭代优化阶段，学生发现木质支架因摩擦力过大导致能量损耗，转而采用轴承减少转动阻力，这一过程不仅强化了“能量转化效率”概念，还融入了工程实践中的成本控制（如材料替换的经济性评估）与风险评估（如结构承重极限测试）。项目式学习通过“需求分析—原型迭代—成果验证”的闭环，将抽象力学规律转化为可操作的工程方案，能让学生在解决“如何提升投射精度”这一复杂问题的过程中，自然习得科学原理与技术转化的逻辑关联。

在此过程中，驱动性问题的设计尤为重要，其需具备真实性、挑战性和开放性。例如“如何通过调整配重位置实现不同射程需求”，既能激发学生的探究兴趣，又能串联起杠杆原理、抛物线运动等核心知识。项目任务的阶梯式推进则契合学生的认知规律：初期通过简化模型（如固定力臂长度）降低认知负荷，中期引入变量控制（如材质对摩擦力的影响）深化科学思维，后期通过功能拓展（如增加角度调节装置）培养创新能力。这种“问题链—任务链—能力链”的设计逻辑，既呼应新课标对“学科实践”的倡导，也体现了工程思维中“从理论到应用、从单一到综合”的进阶路径。

（二）跨学科整合强化实践能力

工程思维的本质在于打破学科界限，通过多维知识融合解决真实问题。以“日地月相对运动”教学为例，教师可设计“天体轨道可视化模型”项目，要求学生结合数学建模、技术设计与艺术表达完成跨学科实践。在科学层面，学生需运用开普勒定律计算三体运动轨迹；在技术层面，需利用3D打印技术制作可调节轨道倾角的机械模型；在艺术层面，则通过动态光影模拟呈现月相变化规律。比如有的小组在制作模型时发现，传统齿轮传动无法精准模拟地球自转与公转的同步性，转而引入单片机编程控制步进电机转速，这一创新方案不仅解决了科学问题，还体现了工程技术对理论假设的验证与修正。这些任务可整合数学计算、机械工程与信息技术的多元方法，以帮助学生构建“科学发现驱动技术创新、技术工具反哺科学认知”的思维框架，契合工程思维的系统性特征。

（三）评价体系突出过程性与创新性

工程思维的培养需依托指向实践能力与创新素养的评价导向。在“摩擦力”教学中，教师可设计“刹车片性能优化实验”作为评价载体：学生需通过对比不同材质刹车片的制动效果（如橡胶、陶瓷、金属烧结片），分析摩擦系数与热能耗散的关联，并提交包含实验数据、成本核算及环保建议的综合报告。评价标准采用“科学性（材料特性分析）+可行性（成本与工艺评估）+创新性（环保替代方案）”三维度，比如其中有的学生提出用再生碳纤维替代传统陶瓷片，既符合摩擦学原理，又降低了原材料成本，体现了工程思维中的可持续设计理念。此外，“设计日志”可记录学生在方案迭代中的思维路径（如“为何放弃初选的聚氨酯材质”），团队答辩则聚焦协作中的矛盾解决（如“数据采集分歧如何达成共识”），从而全面反映工程思维从问题定义到方案落地的完整闭环。这种评价方式不仅关注知识应用的结果，更重视思维发展的过程，为核心素养的培育提供了可量化的实施路径。

结语

工程思维为初中科学教学提供了从知识导向转向能力培养的新视角。在“运动与力”模块中，通过真实工程问题的引入、跨学科实践的开展及过程性评价的实施，学生不仅能深入理解力学规律，更能形成“像工程师一样思考”的思维习惯。

参考文献：

[1]施建岳. 指向学科大概念的初中科学教学设计——以"运动和力的关系复习"为例[J]. 中学物理教学参考，2022，51（32）：27-29.

[2]侯小英，邵苑. 信息技术助力科学实验教学——以”运动和力”主题为例[J]. 中国信息技术教育，2022（23）：67-70.

[3]王菊梅. 初中科学与生活实践的联系与融合研究[J]. 文渊（中学版），2024（7）：451-453.