指向工程思维培养的初中物理跨学科实践研究——以＂自制太阳能风力小船＂教学为例

《物理教学》2026年10月第76~80页刊登的文章，作者朱峰磊，江苏省张家港市梁丰初级中学。以工程思维培养为目标，以"自制太阳能风力小船"教学为例，让学生经历必要的科学探究过程，体验"做中学、用中学、创中学"的学习方式。培养学生创造性思维、决策思维、系统思维等工程思维，形成工程观念，建立像科学家一样思考、像工程师一样实践的学习方式。基金项目：本文系2023年江苏省教育科学规划课题"指向学科实践的初中物理创意制作的实施策略研究"（课题编号： XC /2023/09）和江苏省基础教育前目参性教学改革实验一类项目"初中跨学科主题学习的实践探索"（项目编号：2023JSQZ0129）的阶段性研究成果。

2025年10月教育部等七部门《关于加强中小学科技教育的意见》（以下称《意见》）提出加强中小学科技教育是服务国家创新驱动发展战略、培养未来科技创新人才的重要路径。《意见》倡导构建协同贯通的育人体系，在不同学段均要注重科学兴趣的培养。《意见》提出需要变革教学方式，始终坚持以学生为中心，注重分科教学与跨学科教学之间的有机融合，引导学生主动学习、交流研讨、动手实验、实践探究，综合运用多学科知识和技能解决问题。

《义务教育物理课程标准（2022年版）》增加了"跨学科实践"一级主题，通过跨学科实践培养学生跨学科知识的运用能力、动手操作能力，能够形成解决真实问题的关键能力和核心素养。

本文阐明指向工程思维培养的初中物理跨学科实践研究的核心是"设计性"和"实践性"。"设计性"是采用多学科原理解决实际问题的高阶思维；而"实践性"则是工程思维的核心特征，它强调理论与实践相结合，它是工程思维与跨学科实践共同的特征。立足初中物理知识，以解决实际工程问题为导向的跨学科实践教学应该匹配多学科的思维方式，突破固有问题视角，培养学生高阶的、综合的工程思维，形成物理观念，从而提升核心素养。

因此，提出以"真实问题"为起点，从确定主题、分解驱动任务（前置性、探究性、实践性任务）、落实项目设计、科学探究、动手实践、评价交流等环节开展教学，可达成学生物理学科核心素养提升的目标，具体教学设计流程如图1所示。

1  以素养为导向，以情境为主题，预设学习目标

初中物理跨学科实践活动以生活情境中的真实问题为起点，以学科核心素养为育人价值的最终目标，确定融合多学科知识的实践主题。笔者通过"自制太阳能风力小船"的工程实践项目的实施，希望学生能够达到如表1所示的工程教育目标。

2  以任务为设计形式，驱动工程思维进阶

在跨学科实践学习中提出有意义、有挑战的任务；基于学生的能力构建以解决核心问题为中心的跨学科问题链；围绕教学目标将问题任务转化为学生的学习任务，引导学生在真实情境中进行跨学科实践学习；同时基于"评价即学习"的设计理念，将评价融入教学过程，有助于帮助学生对学科知识的深度理解和对工程思维的有效培养，从而促进了学生学科核心素养的进阶，有效发挥跨学科实践课程的协同育人功能。

工程思维的本质是在多种条件下寻求最优解决方案的系统性思维方式。它涵盖了从结构化分析、跨学科整合到实践可行性的完整思考链条。在"自制太阳能风力小船"项目中，我们通过精心设计的三阶段任务：前置性任务、探究性任务与实践性任务，构建了一条引导学生工程思维从萌芽到进阶的清晰路径。这些任务引导学生在解决真实问题的过程中，像工程师一样思考、决策与创造，如图2所示。

2.1  前置性任务——以驱动性问题，激发学习兴趣

前置任务的核心在于将学生引入真实的问题情境，激发其设计灵感与规划意识。在此阶段，学生需要面对"如何设计一艘能稳定航行的太阳能风力小船？"这一核心挑战，并围绕几个关键子问题展开小组研讨，例如船体材料的选择依据、替代光源的配置方案以及光照效果的优化方式。这一过程促使学生调动已有知识，进行初步的可行性分析与决策。围绕任务难点，展开小组研讨：

①你想选择哪种材料制作船体？说说你的理由；

②在没有阳光的情况下，你想为太阳能电池板配置哪一种光源？

③用何种方式照射的效果更好？

根据项目要求，绘制设计图纸：设计并绘制一张太阳能风力小船的图纸，尝试与同学交流你设计思路（见图3)。

设计意图：让学生绘制项目化作品的设计图纸是一个集思维锻炼、能力培养和素养提升于一体的综合性探究过程。思维层面：促进深度思考与问题具体化，培养系统思维与全局观，激发创新思维与迭代优化。能力层面：提升规划和预见问题的能力，强化空间想象与工程表达能力，培养严谨和细致的习惯。素养层面：增强自主性与成就感，提升沟通与协作能力，培养设计思维和提高分析问题能力。

2.2  探究性任务——以探究性实验，培养工程思维

探究性任务的关键是以学生为中心、以问题为导向。它强调学生不再是被动的知识接受者，而是像科学家或工程师一样，主动地探索未知、建构知识、用知识解决问题。在此阶段学生经历"选择合适的船体材料和加工方式""探究不同船体的稳定性""探究选择合适的光源和照射方式"等探究性实验，培养学生可行性、决策性、创造性思维。

(1）建立"设计"与"制造"的桥梁，培养"可实施性"思维

对比寻找合适的船体材料和加工方式，见表2。

教学中选择密度和硬度都较小且易于加工的泡沫塑料为制作船体材料。用电热丝切割器加工更方便快捷。

设计意图：让学生对比不同材料的物理属性并了解各种加工工具（见图4、5)。这不仅是知识的传授，更是工程思维模式的塑造。工程思维的核心之一是在约束条件下寻求最优方案，材料和加工工具的选择正是权衡思维的合理体现。学生不再是知识的被动接受者，而是像工程师一样思考和解决问题。

(2）建立"理论"与"现实"的联系，培养"跨学科"思维

探究不同形状船体的稳定性，提出问题：单体船和双体船的稳定性哪个更高（见图6、7)?

实验方法：分别在不同船体甲板的侧边固定一个钩码。在相同材料和规格的船体、在相同位置以相同方式添加钩码，将船体缓慢放入水中，松手后观察船体的状态。根据体"翻与不翻"的实验现象，判断船体的稳定性。

实验表明：单体船——直接侧翻最后倾覆；双体船——船体倾斜但未侧翻。得出结论：双体船的稳定性比单体船高。

设计意图：让学生体验"在船侧加钩码"，此活动运用了控制变量法。这是"低投入、高回报"的实验，将抽象的物理原理、严谨的科学方法和核心的工程实践融合在一起。学生获得的不仅是"双体船更稳"的结论，更是体验了如何像科学家一样思考、像工程师一样实践的"做中学"学习模式。

(3）融合"工程测量"与"数据分析"的方法，培养"系统性"思维

探究寻找合适的光源和照射方式。

问题1：太阳能电池板配置哪一种光源？影响因素：光源种类（ LED 、白炽灯）、光源功率。

问题2：考虑一下如何照射效果较好？影响因素：光源距离、照射角度。

分析数据（见表3，图8-10):

①相同额定功率的 LED 灯和白炽灯，光源与光照度测量计保持相同距离， LED 灯的光照强度更高，但输出电压反而小；

②不同额定功率的白炽灯，光源与光照度测量计保持相同距离，功率高的白炽灯的光照强度高，输出电压也大；

③同一光源，光源与光照度测量计距离越小，光照强度越高，输出电压越大；

④同一光源，光源与光照度测量计距离相等，输出电压与太阳能电池的照射角度有关，垂直入射时输出电压大，斜射时输出电压小。

得出结论：为了提高电池板输出电压，应该选择较大功率的白炽灯，减小光源到太阳能电池间的距离，尽量保持光线垂直射向太阳能电池板。

设计意图：让学生通过"工程测量"的方式系统性探究影响太阳能电池输出电压的关键变量，通过"数据分析"得出太阳能电池输出电压的影响因素的结论，并依据实验结论提炼出具体的实践方法。将"太阳能发电"这个真实情境，分解为若干可探究、可操作的工程问题。学生收获的不仅是几个物理规律，更是科学的工程思维方式、严谨的探究方法和对科学的理解和热爱。

2.3  任务三：实践性任务——以真实问题解决，提升核心素养

实践性任务的核心在于引导学生在"做中学",将探究成果应用于现实情境，完成从理论设计到真实问题解决的关键跨越。在此阶段，学生需要直面"如何让太阳能风力小船在航道中既稳又快？"这一挑战性任务（见表4)。

(1）安装组件，调节船体重心

安装动力组件：将电机、螺旋桨和太阳能电池等核心部件按照设计图纸安装到船体上。使用防水胶或螺丝进行固定，确保牢固。

进行静态浮力与重心测试：将组装好的小船（不启动动力）轻轻放入静水中。

设计意图：让学生通过"工程测量"的方式系统性探究影响太阳能电池输出电压的关键变量，通过"数据分析"得出太阳能电池输出电压的影响因素，并依据实验结论提炼出具体的实践方法。将"太阳能发电"这个真实情境，分解为若干可探究、可操作的科学问题。

(2）优化结构，减少流体阻力

目标：设计出"平滑"的船体曲线，使水流能够顺畅地流过船体。

实践：参考真实船体底部结构，用电热丝切割器对船体底部进行精修，尽可能切出"流线型"，减小船体的阻力。

测试：（重力驱动）在模型上系一根细绳，绕过定滑轮，末端挂一个标准重物（如钩码）。释放重物，用秒表测量船体通过固定距离的时间。时间越短，阻力越小。

设计意图：让学生通过"设计并加工流线型船体"，不仅仅是加工一个小船模型，而是学习科学的思维方法和提高解决实际问题的能力。

(3）调试船体，修正航行轨道

核心问题：小船为什么不能直线航行？如何修正它的航行轨道？

观察现象：船头持续向左或向右偏转。

分析原因：船体在制作时左右不完全对称，或者安装的推进器（如小马达）略有歪斜。

系统优化：

①在水线以下、船尾正中央的位置，安装一个垂直的尾鳍。安装后再次进行航向调节。

②在船头安装导向轮（见图11)，它不提供动力，只是在船头遇到障碍时引导船头回到正确方向。

设计意图：让学生通过在试航中发现真实问题"船体无法直线航行"（见图12)，引导学生分析问题的原因"可能是船体不完全对称"，学生设计不同的方案。通过实践对比不同方案的优缺点，激发学生的学习兴趣，培养学生勇于实践、积极分析方案可行性的工程思维。

3  以综合性、实践性为属性，开展跨学科实践

以"问题一探究一实践"为主线，构建了一个以综合性、实践性为特征的跨学科实践教学模型。该模型并非学科知识的简单叠加，而是以"太阳能风力小船"的设计与制作为一个完整的工程任务，驱动学生亲身经历"船体材料选择与加工""船体结构设计与制作""动力装置安装与调试"这一循环迭代的工程周期。在这一过程中，学生通过受力分析深化了"运动与相互作用观"，通过能量转换方案的设计与应用巩固了"能量观"，并在解决真实、复杂问题的过程中，将抽象的物理观念转化为解决实际问题的关键能力。

指向工程思维培养的初中物理跨学科实践证明了以核心素养为统领、以工程思维培养为目标、以跨学科项目为载体、以实践性评价为保障的教学模式，能够有效打破传统分科教学的壁垒，为学生提供一个融会贯通、学以致用的途径。它不仅是一项有效的实践活动，更是培养未来能够应对复杂挑战、具备社会责任与创新能力的终身学习者。

参考文献

[1］教育部等七部门．教育部等七部门关于加强中小学科技教育的意见［ Z ]．教基（2025]7号，2025-10-29.

[2］中华人民共和国教育部．义务教育物理课程标准（2022年版）[ S ]．北京：北京师范大学出版社，2022.

[3］朱红，成子莹，指向工程思维发展的初中科学实践项目的设计与实施——以"设计与制作扬声器"为例［]]．物理教师，2024(5):31-34,38.

[4］欧剑雄，解决真实问题走向生活逻辑一跨学科问题的设计、教学与评价［ J ]．物理教师，2025(2):17-20,33.

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