本書(shū)是《工程原理-上冊(cè)》一書(shū)的配套練習(xí)冊(cè)。利用一些實(shí)踐性活動(dòng)來(lái)幫助學(xué)生訓(xùn)練工程方面的基本技能,為將來(lái)參與挑戰(zhàn)性更強(qiáng)的項(xiàng)目打下基礎(chǔ)。每個(gè)活動(dòng)先介紹一下活動(dòng)的目標(biāo),然后是活動(dòng)步驟,讓學(xué)生逐步進(jìn)行操作,*后進(jìn)行分析總結(jié)。背景欄目幫助學(xué)生回顧和拓展所學(xué)的知識(shí),以便在實(shí)踐活動(dòng)中更好地應(yīng)用它們。小提示欄目旨在提醒學(xué)生避開(kāi)常見(jiàn)的問(wèn)題,提供有用的線索以及講述一些有趣的奇聞?shì)W事,幫助學(xué)生順利完成工程設(shè)計(jì)活動(dòng)。
本書(shū)通過(guò)結(jié)合實(shí)際應(yīng)用的活動(dòng)來(lái)幫助學(xué)生訓(xùn)練工程方面的基本技能,培養(yǎng)學(xué)生的技術(shù)素養(yǎng)以及解決問(wèn)題的能力。這些能力在后續(xù)的工程學(xué)學(xué)習(xí)以及工程技術(shù)活動(dòng)中都是非常寶貴的。該書(shū)可以幫助高中生在現(xiàn)有數(shù)學(xué)和科學(xué)知識(shí)的基礎(chǔ)上,理解什么是工程學(xué)。同時(shí),它也可以激發(fā)學(xué)生對(duì)工程學(xué)領(lǐng)域以及技術(shù)領(lǐng)域職業(yè)的探索熱情。
教育要面向未來(lái)多變的社會(huì), 要培養(yǎng)具備全球勝任力的學(xué)生。在這樣的背景下, 綜合性、跨學(xué)科的知識(shí)和能力越來(lái)越重要, 這也是我國(guó)當(dāng)前課程改革中最新提出培養(yǎng)、發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)(即必備品格與關(guān)鍵能力) 的重要內(nèi)涵。因此, 通過(guò)加強(qiáng)跨學(xué)科課程建設(shè),給學(xué)生提供跨學(xué)科學(xué)習(xí)經(jīng)歷尤顯重要。國(guó)際上當(dāng)前流行的STEM、 STEAM課程,也正是以跨學(xué)科、綜合性作為其重要特征的。我國(guó)的基礎(chǔ)教育歷來(lái)十分注重學(xué)科課程。雖然學(xué)科課程原本內(nèi)涵著跨學(xué)科的元素(如物理中有數(shù)學(xué), 化學(xué)中有物理, 歷史中有地理) ,但長(zhǎng)期以來(lái)已被固化, 缺乏與時(shí)俱進(jìn)的深化和拓展。近年的課程改革又開(kāi)始重視綜合性課程和跨學(xué)科課程的開(kāi)發(fā),如全國(guó)課程改革中的綜合實(shí)踐活動(dòng)課程,上海課程改革中的研究型課程、科學(xué)課程和藝術(shù)課程。 但在實(shí)施中,這些課程遠(yuǎn)未達(dá)到應(yīng)有的水平。而且現(xiàn)在看來(lái),這些課程缺乏了一個(gè)重要內(nèi)容,就是工程教育。工程是科學(xué)、數(shù)學(xué)與技術(shù)等的整合與應(yīng)用, 航天工程、生物工程、橋隧工程、 建筑工程、菜籃子工程 等都是工程。在工程中,必須把設(shè)計(jì)思維和實(shí)踐能力放在重要位置,這就要求能夠在面臨一個(gè)復(fù)雜的、綜合性的任務(wù)時(shí),創(chuàng)造性地利用各種手段和方式去完成任務(wù)。在設(shè)計(jì)思維里,系統(tǒng)性思想、以人為本的思想都非常重要。 因此, 工程教育是跨學(xué)科的, 是培養(yǎng)設(shè)計(jì)思維和實(shí)踐能力的一個(gè)很重要的載體,而這正是發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的重要內(nèi)容。在基礎(chǔ)教育課程改革中,我們首先關(guān)注課程的育人價(jià)值,在今天特別要考慮課程面對(duì)未來(lái)的育人功能。工程教育的缺失會(huì)產(chǎn)生育人的短板, 這也是國(guó)際教育界通過(guò)反思之后特別重視STEM課程的重要原因。當(dāng)前,加強(qiáng)工程教育已經(jīng)成為國(guó)際共識(shí)。如何彌補(bǔ)工程教育在我國(guó)基礎(chǔ)教育中的的薄弱與空白?由于當(dāng)前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有理想的中小學(xué)工程教育教材, 所以需要學(xué)習(xí)和借鑒。 本套中小學(xué)工程教育叢書(shū)是從美國(guó)引進(jìn)的, 有很多值得借鑒的優(yōu)點(diǎn)。首先,內(nèi)容系統(tǒng)、完整。書(shū)中對(duì)工程學(xué)科有全面、 系統(tǒng)的介紹,包括工程設(shè)計(jì)的一般流程,工程建設(shè)相關(guān)的工具、材料、職業(yè)等。書(shū)中還結(jié)合具體的工程項(xiàng)目,介紹了物理、數(shù)學(xué)等學(xué)科知識(shí)在工程問(wèn)題中的應(yīng)用。其次,它是跨學(xué)段的系統(tǒng)設(shè)計(jì),初中階段的學(xué)生用書(shū)是《工程學(xué)入門(mén)》,高中階段的學(xué)生用書(shū)是《工程原理》《工程設(shè)計(jì)導(dǎo)論》 , 內(nèi)容的難易與梯度都比較合適。第三,語(yǔ)言生動(dòng)、圖文并茂,可讀性很強(qiáng)。最后,整套書(shū)不僅有功能類似傳統(tǒng)教材的學(xué)生用書(shū),還有配套實(shí)踐手冊(cè),可供學(xué)生練習(xí)、 提高。他山之石,可以攻玉。我希望這套中小學(xué)工程教育叢書(shū)的翻譯出版,可以為我國(guó)當(dāng)前的課程改革、 教材開(kāi)發(fā)服務(wù)。希望國(guó)內(nèi)的相關(guān)人士,能夠在此基礎(chǔ)之上,開(kāi)發(fā)本土中小學(xué)工程教育教材。
張民生2017年12月
喬治·E·羅杰斯(George E. Rogers)博士是普渡大學(xué)工程/技術(shù)教師教育的教授和協(xié)調(diào)員。
邁克爾·D·萊特(Michael D. Wright)博士是中密蘇里大學(xué)教育學(xué)院院長(zhǎng)。
本·耶茨(Ben Yates)是密蘇里科技大學(xué)PLTW附屬機(jī)構(gòu)密蘇里項(xiàng)目引路分部副主任。耶茨曾是一名授課教師,學(xué)校行政領(lǐng)導(dǎo)及大學(xué)教授。
第1章 工程學(xué)概述
練習(xí)1.1 工程學(xué)發(fā)展大事記
練習(xí)1.2 社區(qū)里的公司
練習(xí)1.3 作為資源的運(yùn)輸系統(tǒng)
練習(xí)1.4 工程學(xué)領(lǐng)域的職業(yè)
練習(xí)1.5 作為資源的能源
第2章 設(shè)計(jì)工具
練習(xí)2.1 明確設(shè)計(jì)過(guò)程
練習(xí)2.2 分析設(shè)計(jì)過(guò)程
草圖和設(shè)計(jì)方案
練習(xí)2.3 草圖練習(xí)
練習(xí)2.4 等距草圖
練習(xí)2.5 頭腦風(fēng)暴
CAD
練習(xí)2.6 構(gòu)建CAD模型
練習(xí)2.7 零件逆向工程
練習(xí)2.8 CAD產(chǎn)品調(diào)查
探索并選擇方法
練習(xí)2.9 決定是怎樣形成的?
練習(xí)2.10 抉擇矩陣
練習(xí)2.11 工程團(tuán)隊(duì)角色扮演
練習(xí)2.12 快速成型技術(shù)
練習(xí)2.13 網(wǎng)上比較成型技術(shù)價(jià)格
使用分析工具
練習(xí)2.14 用電子表格計(jì)算利潤(rùn)
練習(xí)2.15 電子表格的分類和強(qiáng)調(diào)
練習(xí)2.16 租車vs買車
設(shè)計(jì)問(wèn)題
練習(xí)2.17 軟飲料瓶設(shè)計(jì)
練習(xí)2.18 電源線管理
練習(xí)2.19 行李秤
第3章 機(jī)械效益
背景 力、功和功率
練習(xí)3.1 功和功率的計(jì)算
簡(jiǎn)單機(jī)械
練習(xí)3.2 計(jì)算機(jī)械效益
練習(xí)3.3 設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)
第4章 機(jī)械構(gòu)造
凸輪和從動(dòng)件
練習(xí)4.1 計(jì)算凸輪的位移
齒輪組
練習(xí)4.2 計(jì)算齒輪組的轉(zhuǎn)速比和轉(zhuǎn)矩比
鏈輪和鏈條傳動(dòng)
練習(xí)4.3 計(jì)算鏈條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速比和轉(zhuǎn)矩比
第5章 能量
練習(xí)5.1 能量轉(zhuǎn)換拼拼看
練習(xí)5.2 點(diǎn)亮燈泡還是加熱燈泡
練習(xí)5.3 跟蹤彈力球的能量轉(zhuǎn)換
第6章 電氣系統(tǒng)
練習(xí)6.1 導(dǎo)體和絕緣體
練習(xí)6.2 電阻計(jì)算
練習(xí)6.3 功率實(shí)驗(yàn)
第7章 流體壓力傳動(dòng)系統(tǒng)
練習(xí)7.1 高壓
練習(xí)7.2 下沉的感覺(jué)
練習(xí)7.3 氣壓產(chǎn)品和液壓產(chǎn)品