【美國中小學技術與工程教育的課程整合實踐案例（論文）7800字】

美國中小學技術與工程教育的課程整合實踐案例筆者經(jīng)過大量檢索，通過美國教師教育網(wǎng)站、工程教育網(wǎng)站、國際技術與工程教育者協(xié)會網(wǎng)站找到了關于技術教育、工程教育、STEM教育不同的課程案例，范圍涵蓋小學、初中到高中。在本章中，將選取以“技術與工程”為核心課程內(nèi)容，年級范圍包括小學與初中的課程。篩選過后發(fā)現(xiàn)，課程按時長分為15分鐘的局部設計展示，和45分鐘到5學時的完整課堂展示。課程按類型分為知識概念型和動手實踐型（以工程設計為主）的課程。筆者選取了其中有代表性的、設計比較完善的案例進行展示與分析。分別從目標、內(nèi)容、實施、評價四個維度進行呈現(xiàn)，拉爾夫泰勒（RalphTyler）指出任何課程設計都必須回答以下四個問題：（1）學校應該達到什么樣的教育目標？（2）可以提供什么樣的教育經(jīng)驗來實現(xiàn)這些目標？（3）我們?nèi)绾斡行У亟M織這些教育經(jīng)驗？（4）我們?nèi)绾未_保這些目標正在實現(xiàn)？這四個問題構成了著名的泰勒原理，可以稱之為“課程研究范式施良方.泰勒的《課程與教學的基本原理》——兼述美國課程理論的興起與發(fā)展.華東師范大學學報:教育科學版,1992(4):1-1.施良方.泰勒的《課程與教學的基本原理》——兼述美國課程理論的興起與發(fā)展.華東師范大學學報:教育科學版,1992(4):1-1.1.1案例1：建筑師和工程師：共同設計（1）確定課程目標這門課學生要探索建筑學與工程學之間的連接，在實踐活動中，學生扮演建筑師和工程師的角色，設計建造一個小型停車場。這樣的設計初衷源于工程師和建筑師的職責領域是有重疊的，建筑師設計空間，以滿足客戶需求，并且負責建筑內(nèi)外的美學外觀。工程師的主要責任是確保設計是安全的，并符合建筑規(guī)范。工程師們通過選擇材料、確定設計的結構構件，以及指定電氣、供暖、通風、空調(diào)和管道等系統(tǒng)來確保建筑物的安全與功能。工程師和建筑師可以通過技術圖紙來溝通交流。本節(jié)課目標如下解釋建筑師和工程師的角色；舉例說明建筑師和工程師在建筑設計中的主要職責；說明鋼的發(fā)展是建造摩天大樓的關鍵先決條件。（2）選擇教學內(nèi)容建筑師和工程師都參與設計和建造一個結構，無論是房子還是摩天大樓。建筑師為建筑物、橋梁和其他結構設計和繪制平面圖。建筑師的設計目標是滿足客戶的要求，使結構的外觀符合客戶的喜好，并執(zhí)行高質(zhì)量的工作。學生可以練習運用這些考慮和技能設計自己的停車場，并滿足要求和約束條件，制作模型停車場。建筑師通過考慮客戶的需求來設計結構。工程師根據(jù)建筑師的設計進行結構設計，包括電氣圖紙、結構布局和管道。為了開發(fā)和展示他們的設計，建筑師和工程師都使用稱為藍圖的技術圖紙。藍圖是建筑師或工程師繪制的詳細圖紙，概述了他們的設計。藍圖可以手工繪制，也可以使用計算機輔助繪圖程序（如AutoCAD?或SolidWorks?）在計算機上繪制。這些想法都可以提供給學生以作參考，讓學生了解二者之間是如何合作共同設計起一座建筑的。（3）組織教學活動情境創(chuàng)設假設奧林匹克足球比賽的日子已經(jīng)到了，班級租用了一輛環(huán)保巴士，將學生帶到奧林匹克體育場。到達那里時，學生會對體育場周圍有那么多人而感嘆。停車場被排滿，汽車被打包到所有10個樓層中。這個停車場結構看起來非?，F(xiàn)代，具有各種精美的裝飾，令人印象深刻。問題引導教師：你們知道工程師可以幫助建造建筑物，但是你們知道還有哪些人參與了建造過程嗎？其他類型的工程師，建筑師，土地使用計劃員，建筑工人等都參與了創(chuàng)建建筑物。建筑物的兩個主要設計師是建筑師和工程師。乍一看，這似乎有些令人困惑，因為工程師和架構師的角色和職責并不清楚，并且有些重疊。讓我們嘗試清理一下，從我們知道的事情開始。教師：什么是工程師？工程師是為社會的利益而設計和制造事物的人。工程師使用數(shù)學和科學來設計和構建結構、設備的過程。（向?qū)W生展示什么是工程師，有視頻）什么是建筑師？建筑師是為建筑物或結構開發(fā)創(chuàng)意設計的人。因此，工程師和建筑師的工作雖然相似，但在某些細節(jié)上有所不同。（向?qū)W生展示什么是建筑師，視頻）建筑師和工程師如何在一起工作？學生討論通過之前的問題引導和視頻展示，學生進行小組討論，教師可以參與學生的討論，但不做評價。教師舉例摩天大樓幫助學生理解。在沒有摩天大樓之前，最高的建筑物只能屹立約10層樓。這是因為用于構造結構的主要材料是木材。建筑師對更高的建筑物有計劃和希望，但當時的可用材料無法使建筑物承受的建筑物重量超過大約10層。工程師開始開發(fā)比木材強得多的鋼梁，可用于建筑建筑物和橋梁。今天，我們稱這些堅固的光束為工字梁（展示圖片）。鋼工字梁的開發(fā)正是建筑師建造高層建筑所需要的。結果，摩天大樓開始高高地沖向天空。顯然，現(xiàn)代城市及其令人驚嘆的天際線是工程師和建筑師之間共同努力的結果。沒有這兩種類型的工程，就無法實現(xiàn)建筑物和其他結構的高度和美感。因此，我們知道建筑師想要建造更大，更精致的建筑，工程師幫助他們確定了如何使其成為可能。看來，架構師想出了一個主意，然后制定了一個計劃，工程師可以幫助他們執(zhí)行。建筑師的計劃有一個特殊的名稱-它被稱為藍圖（展示圖片）。建筑師創(chuàng)建了藍圖（建筑計劃）后，工程師檢查了建筑師的設計并決定必須使用哪些材料來使建筑師的設計完成并使建筑物足夠堅固以供使用。許多類型的工程師還從事建筑物內(nèi)的其他系統(tǒng)，例如電梯，照明，供暖，通風，空調(diào)，管道等。它需要大量的工程團隊來設計，建造和準備建筑物以供日常使用。從選擇合適的家具到節(jié)能的窗飾再到隔音地毯，建筑設計中涉及許多細節(jié)。制作停車場模型首先設計。團隊合作共同繪制藍圖，考慮自己所設計的停車場的外觀以及工程結構是怎么樣的，都有哪些安全問題需要考慮，使用效率是否合理，根據(jù)藍圖選擇自己團隊需要的建筑材料，并且需要注意經(jīng)費預算，要在合理的范圍內(nèi)進行。其次建造。團隊合作動手搭建，涉及到解決不了的問題可以記錄下來像教師求助或課后通過郵件像相關領域的專家求助解答。最后測試。通過汽車模型來測試每一個團隊所搭建的停車場的承載力，安全程度，穩(wěn)固程度等。（4）教學評估這門課程中分為三個階段的評估，分別是教學前評估-課堂中評估-課后評估教學前評估討論問題：征求、整合和總結學生的回答。教師提問：有人知道工程師是干什么的嗎？（答案：工程師是為了社會的利益而設計和建造東西的人。工程師利用數(shù)學和科學來設計和建造結構、設備和工藝。）誰能解釋建筑師的工作？（答案：建筑師是為建筑物或構筑物進行創(chuàng)造性設計的人。）有人能想到這兩種職業(yè)何時會合作嗎？（答案：在摩天大樓、奧林匹克體育場或任何結構的設計和建造中）除了土木工程師外，還有哪些類型的工程師參與建造結構？（答案：電氣工程師、土地開發(fā)工程師、照明工程師、機械工程師等）課堂中評估奧林匹克設計：作為一門課程，選擇一個奧林匹克建筑或場地，然后列出在設計該建筑時要完成的主要任務。其中一些任務包括：搞清楚門道的正確尺寸、浴室的數(shù)量、電燈開關的位置、使用哪種材料等。試著弄清楚這些任務是建筑師或工程師圖紙/設計的一部分。（答案：門口——建筑師；浴室——建筑師；電燈開關——工程師；材料——工程師。）當學生調(diào)出構件時，將構件分為兩列，一列寫在“建筑師”下，另一列寫在“工程師”下。讓學生幫你決定建筑物的構件應該放在哪一列下。詢問學生們是否記得為了建造高大復雜的建筑物必須開發(fā)什么。（答：鋼結構）提醒學生建造一個結構可能相當復雜，因此建筑師和工程師進行良好的團隊合作以滿足客戶的需求和愿望是非常重要的。課后評估繪圖：讓學生畫出他們的奧林匹克酒店，并為他們的房間做一個“藍圖”。藍圖應該包括門道和房間的部分，而不是家具或配件，除非它們建在酒店內(nèi)。讓學生為工程師設計的零件（電燈開關、管道等）貼上標簽。你可能需要在黑板上畫一個藍圖的例子，這也有助于解釋什么是房間或建筑物的“頂視圖”。1.2案例2：建造一個過山車確定教育目標本節(jié)課所適用6到8年級的學生，在本節(jié)課中，學生們利用泡沫管和彈珠建立各自的小型過山車模型，然后利用課堂上學習的相關物理原理、工程原理對它們進行分析，并檢查動能和勢能之間的轉(zhuǎn)換和摩擦，過山車完全由重力驅(qū)動。通過在模型中使用不同的彈珠類型來代表不同的乘客負荷，并從中選出最恰當?shù)倪^山車模型。本節(jié)課目標如下：請解釋為什么對工程師來說理解過山車的工作原理很重要。用物理術語解釋他們的模型過山車是如何工作的。結合過山車的設計，討論重力和摩擦力的大小。運用能量守恒原理講解過山車的設計與布局。在過山車軌道上找出汽車動能和勢能最大的點。在過山車軌道上找出汽車承受大于或小于1g重力的點。選擇教學內(nèi)容四人為一小組開展過山車模型設計，利用所學的物理及工程設計原理，對模型設計進行思考。例如可用或首選的建筑材料、施工預算和時間框架用戶的安全措施、持續(xù)的維護要求和/或預期的天氣條件，以及過山車外形和運動軌跡樣式的設計，如倒置的循環(huán)，特定的角度轉(zhuǎn)彎，下降的長度或最大速度。但這些都要基于對乘坐過山車用戶安全的保證。其次是自然物理定律相關知識的講解，如重力的限制和斜坡、速度和摩擦力的影響。組織教學活動本節(jié)課的組織教學活動中的要求：把全班分成三到四個學生的工程組。分發(fā)班級比賽的得分規(guī)則。創(chuàng)意點列表為學生提供了過山車設計中所需要的功能(高度、轉(zhuǎn)彎、循環(huán))的指導，而性能點列表則提供了一種判斷過山車安全性的方法。告訴學生們:在我們的過山車模型中，玻璃彈珠模擬了一輛普通的汽車，木制彈珠代表了一輛空的汽車，而鋼彈珠代表了一輛滿載的汽車。你的團隊將通過每一種彈珠(乘客負載)成功完成你的軌道并安全降落在杯子中獲得積分。在班級競賽選出一個最具創(chuàng)新和最成功的過山車模型。在30分鐘內(nèi)讓小組開始設計他們的過山車，小組內(nèi)部集思廣益，并商定一個設計。讓學生在紙上畫他們的過山車，然后給它們明明，并制作標志。教師在學生設計完成字后，來檢查他們的圖紙，以確保他們提出的設計在物理上是可能的。如果不合格，指出他們需要重新設計的方面，并給學生重新設計模型的時間。給每組一個泡沫管軌道，膠帶和杯子，并讓他們利用這些材料建造各自的過山車模型使用。在10分鐘內(nèi)或者更早完成設計的小組獲得的分值越高。給學生彈珠，以便他們能夠測試他們的過山車模型，對需要修改的地方進行重新設計，這是最耗時的步驟，學生可能需要45分鐘來重新設計他們的軌道。給每組分發(fā)一個秒表，并給他們時間來完成工作表，各小組在工作表中來記錄各自過山車實驗中的數(shù)據(jù)。開始課堂競賽，告訴學生今天所做的實驗相當于工程師們制造小規(guī)模模型實驗，幫助他們測試和分析他們的結構設計。讓每個小組向全班展示他們的過山車模型。使用評分規(guī)則來評估過山車模型的設計。評價結果并反饋活動過程評估檢查每個小組是否理解其過山車的工作原理和原因。如果過山車壞了，問問學生他們認為是什么問題。看看他們是否能識別出物理約束并解釋諸如“它不夠高”或“彈珠摩擦太多”的問題，如“它沒有足夠的勢能，因為它不夠高”或“彈珠和軌道之間的摩擦太大了”。測定速度：讓學生測量他們的過山車的長度(也就是說，可以測量泡沫管的長度)和彈珠完成軌道所需的時間。要求學生計算彈珠的速度，單位是m/s，單位是ft/s。繪圖：在測試過程中，繪制第一個高坡的高度與彈珠平均速度的關系圖，并描述這個關系(例如，隨著高度的增加，速度的增加)?；顒雍笤u估工作表：讓每個學生(或每個小組)完成“過山車模型工作表”，要求學生能夠識別過山車的一些關鍵點以及其他規(guī)格，如高度、圈數(shù)和轉(zhuǎn)彎數(shù)。檢查學生的答案，以判斷他們對概念的理解程度。展示：讓每個小組向全班同學展示它的過山車模型。使用建議的計分標準對班級比賽的過山車進行評估。將結果進行討論，并對學生進行提問：哪些過山車最刺激？它們是安全的嗎？哪一個設計獲得了創(chuàng)意獎？哪一個贏得了性能和安全？哪一款車型在驚險的設計和安全性方面最能滿足整體挑戰(zhàn)？它是如何達到驚險與安全的權衡？(注意：工程師將此稱為優(yōu)化，即平衡相互競爭的項目需求。)你從測試模型中學到了什么？如果你要重新設計你的過山車，你會做哪些改進，為什么？工程師在他們的設計(電器、汽車、橋梁、樓梯、過山車等)被建造和人們使用之前測試它們有多重要？我們今天使用了哪些工程設計步驟和技術？等等。1.3案例3：用“太陽”烹飪——制作太陽能烤箱（1）確定教育目標太陽能烤箱的設計、制作和測試是一個工程性項目，需要利用熱轉(zhuǎn)移機制將材料科學與機械工程學進行結合。在全球范圍內(nèi)都有使用，能夠作為一種無需燃料且無煙的烹飪、烘焙和水去污染方式，對于偏遠和貧困地區(qū)尤其如此。本節(jié)課教育目標為：解釋輻射的概念并列舉對太陽能進行收集和存儲的方式。明白部分材料不導熱，因此能夠進行良好的隔熱。列舉不同可以用于收集和存儲太陽熱能的材料。繪制并分析溫度時間數(shù)據(jù)。（2）選擇教學內(nèi)容向各學生小組提供一套材料：紙板、隔熱材料、鋁箔和有機玻璃，挑戰(zhàn)制作太陽能烤箱。太陽能烤箱必須能夠盡可能多地收集和集中太陽光的能量。學生通過太陽能烤箱的隔熱性能了解通過傳導實現(xiàn)的熱傳遞并通過太陽能烤箱吸收太陽能輻射的能力了解輻射。學生將使用太陽能烤箱烹飪食物從而對其設計進行有效性的定性分析，并通過進行定期溫度測量并繪制溫度時間圖標的方式對其設計進行有效性的定量分析。最后，學生從工程師的角度思考并分析太陽能烤箱相比于傳統(tǒng)爐灶的優(yōu)勢與劣勢。向?qū)W生展示世界各地使用的太陽能烤箱的圖片，如其他多媒體輔助材料部分的兩分鐘InfinityBakery太陽能烤箱YouTube視頻等。此外，還可以向?qū)W生展示全球特別是發(fā)展中國家使用太陽能烤箱和太陽能的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。討論熱傳遞概念是如何在太陽能烤箱中發(fā)揮作用的。裝置需要將太陽輻射集中到烤箱中央。鍋應當能夠盡可能地吸收太陽輻射。然后，烤箱的剩下部分需要設計成隔熱結構，可以使用隔熱材料進行制作。引導學生思考烤箱如何加熱并保持溫度？烤箱是如何保持溫度的？使用了哪些材料？（3）組織教學活動使用上述建議材料，讓學生自由發(fā)揮進行設計。制作完成后，學生需要在陽光較好的天氣下使用溫度計在一小時內(nèi)每十分鐘對烤箱溫度進行測量，隨后每小時測量一次（總用時至少3-4個小時），從而評估烤箱的有效性。如果學生還有其他課程，則也可以由老師代為測量溫度。學生還需要使用烤箱用烤餅干從而對烤箱的有效性進行定性評估。學生還要在方格紙上使用收集到的數(shù)據(jù)繪制溫度時間關系圖。最后學生共同享用烤好的食物。（4）教學評價課堂討論和展示進行課堂討論對學生準確介紹所用材料的能力進行評估。要求各小組對其太陽能烤箱進行課堂展示。要求每一名學生都參加。要求各小組介紹其太陽能烤箱的工作原理以及選擇材料/設計的原因，如反射材料類別以及使用的隔熱材料等。提出如下問題，判斷學生是否通過此次太陽能烤箱制作活動掌握了關鍵性概念：太陽能烤箱是如何工作的，你們?yōu)槭裁磿x擇這些材料呢？太陽能烤箱的哪一部分具有比較高的熱傳導性？太陽能烤箱的哪一部分具有比較低的熱傳導性？輻射是如何利用的？反射板的輻射率是高還是低？為什么？你們是如何防止發(fā)生對流冷卻的？你們的隔熱材料在哪里？你們使用了哪種隔熱材料，為什么？課后評估：要求學生繪制溫度時間關系圖并回答：什么樣的烤箱最熱？設計上有什么不同？設計上的差異是如何影響效果的？1.4案例分析1.1.1課程目標從案例中可以看到不同的課程會根據(jù)所面向的年級、課程內(nèi)容確定不同的課程目標，但這些課程目標都不是憑空設立的，都依據(jù)了《下一代科學教育標準》、《技術素養(yǎng)標準》、《州核心教育標準》等文件。案例圍繞培養(yǎng)學生STEM素養(yǎng)確立課程目標，包括:（1）培養(yǎng)學生技術與工程素養(yǎng)。通過停車場的構建、過山車的模型設計等來教授學生工程設計原理，教師引導學生界定研究問題，設計方案/模型，再通過測試來驗證設計方案的合理性，進而改進方案，這培養(yǎng)學生理解、使用及創(chuàng)造技術/工程產(chǎn)品的能力。這其中也包括培養(yǎng)學生的問題解決能力和團隊合作能力。（2）培養(yǎng)學生科學素養(yǎng)。案例中過山車的設計、烤箱的制作都離不開物理及化學知識的運用，STEM素養(yǎng)也是學生綜合素養(yǎng)的培養(yǎng)，建立學生跨學科聯(lián)系能力以便更好應對未來社會等，案例都分別有體現(xiàn)出課程整合的內(nèi)容。（3）意識到現(xiàn)代社會數(shù)學、科學、技術與工程的重要作用與意義。在案例中教師通過網(wǎng)站視頻觀看、講解等形式，讓學生感受到科學技術在現(xiàn)代社會至關重要的意義，不僅關系到國家安全與穩(wěn)定，也關系到每一個公民的生活方式與生活質(zhì)量。（4）培養(yǎng)學生系統(tǒng)思維。在案例中可以看到學生在設計方案時教師會引導學生進行全方面的考慮和分析，系統(tǒng)思維是解決當前眾多社會問題所必須的能力，很多時候問題解決的程度與好壞，取決于自身對于這個事件的系統(tǒng)的理解，如果對于構成這個事物或事件的系統(tǒng)有充分的認識和理解，那么就更易理清系統(tǒng)間各個部分的關系，將大事件轉(zhuǎn)化為一個個小事件，進而有序的實現(xiàn)問題解決?，F(xiàn)實社會中復雜系統(tǒng)無處不在，整合化的課堂內(nèi)容更能夠讓學生接觸到這類問題，為未來進入社會做好心理和能力上的準備。（4）為未來學生進入STEM領域進行勞動力的培養(yǎng)準備。這是基于美國STEM勞動力缺乏及行業(yè)發(fā)展的現(xiàn)實問題，案例中的課程設計也無不圍繞培養(yǎng)未來的工程師、創(chuàng)新人才、設計師等，以多樣化的課堂開展培養(yǎng)學生STEM興趣。1.1.2課程內(nèi)容在三個案例中可以看出，雖然工程設計并沒有被明確列為課程目標之一，但是每一個案例都融入使用了工程設計的內(nèi)容，將工程設計作為課程重點。通過案例可以看出課堂設置符合工程設計的確定問題-設計方案-測試方案-再設計的步驟。案例都是以小組合作的形式開展，并且教師都會幫助學生明確自己在團隊中的角色和身份