【美国中小学技术与工程教育的课程整合实践案例（论文）7800字】

美国中小学技术与工程教育的课程整合实践案例笔者经过大量检索，通过美国教师教育网站、工程教育网站、国际技术与工程教育者协会网站找到了关于技术教育、工程教育、STEM教育不同的课程案例，范围涵盖小学、初中到高中。在本章中，将选取以“技术与工程”为核心课程内容，年级范围包括小学与初中的课程。筛选过后发现，课程按时长分为15分钟的局部设计展示，和45分钟到5学时的完整课堂展示。课程按类型分为知识概念型和动手实践型（以工程设计为主）的课程。笔者选取了其中有代表性的、设计比较完善的案例进行展示与分析。分别从目标、内容、实施、评价四个维度进行呈现，拉尔夫泰勒（RalphTyler）指出任何课程设计都必须回答以下四个问题：（1）学校应该达到什么样的教育目标？（2）可以提供什么样的教育经验来实现这些目标？（3）我们如何有效地组织这些教育经验？（4）我们如何确保这些目标正在实现？这四个问题构成了著名的泰勒原理，可以称之为“课程研究范式施良方.泰勒的《课程与教学的基本原理》——兼述美国课程理论的兴起与发展.华东师范大学学报:教育科学版,1992(4):1-1.施良方.泰勒的《课程与教学的基本原理》——兼述美国课程理论的兴起与发展.华东师范大学学报:教育科学版,1992(4):1-1.1.1案例1：建筑师和工程师：共同设计（1）确定课程目标这门课学生要探索建筑学与工程学之间的连接，在实践活动中，学生扮演建筑师和工程师的角色，设计建造一个小型停车场。这样的设计初衷源于工程师和建筑师的职责领域是有重叠的，建筑师设计空间，以满足客户需求，并且负责建筑内外的美学外观。工程师的主要责任是确保设计是安全的，并符合建筑规范。工程师们通过选择材料、确定设计的结构构件，以及指定电气、供暖、通风、空调和管道等系统来确保建筑物的安全与功能。工程师和建筑师可以通过技术图纸来沟通交流。本节课目标如下解释建筑师和工程师的角色；举例说明建筑师和工程师在建筑设计中的主要职责；说明钢的发展是建造摩天大楼的关键先决条件。（2）选择教学内容建筑师和工程师都参与设计和建造一个结构，无论是房子还是摩天大楼。建筑师为建筑物、桥梁和其他结构设计和绘制平面图。建筑师的设计目标是满足客户的要求，使结构的外观符合客户的喜好，并执行高质量的工作。学生可以练习运用这些考虑和技能设计自己的停车场，并满足要求和约束条件，制作模型停车场。建筑师通过考虑客户的需求来设计结构。工程师根据建筑师的设计进行结构设计，包括电气图纸、结构布局和管道。为了开发和展示他们的设计，建筑师和工程师都使用称为蓝图的技术图纸。蓝图是建筑师或工程师绘制的详细图纸，概述了他们的设计。蓝图可以手工绘制，也可以使用计算机辅助绘图程序（如AutoCAD®或SolidWorks®）在计算机上绘制。这些想法都可以提供给学生以作参考，让学生了解二者之间是如何合作共同设计起一座建筑的。（3）组织教学活动情境创设假设奥林匹克足球比赛的日子已经到了，班级租用了一辆环保巴士，将学生带到奥林匹克体育场。到达那里时，学生会对体育场周围有那么多人而感叹。停车场被排满，汽车被打包到所有10个楼层中。这个停车场结构看起来非常现代，具有各种精美的装饰，令人印象深刻。问题引导教师：你们知道工程师可以帮助建造建筑物，但是你们知道还有哪些人参与了建造过程吗？其他类型的工程师，建筑师，土地使用计划员，建筑工人等都参与了创建建筑物。建筑物的两个主要设计师是建筑师和工程师。乍一看，这似乎有些令人困惑，因为工程师和架构师的角色和职责并不清楚，并且有些重叠。让我们尝试清理一下，从我们知道的事情开始。教师：什么是工程师？工程师是为社会的利益而设计和制造事物的人。工程师使用数学和科学来设计和构建结构、设备的过程。（向学生展示什么是工程师，有视频）什么是建筑师？建筑师是为建筑物或结构开发创意设计的人。因此，工程师和建筑师的工作虽然相似，但在某些细节上有所不同。（向学生展示什么是建筑师，视频）建筑师和工程师如何在一起工作？学生讨论通过之前的问题引导和视频展示，学生进行小组讨论，教师可以参与学生的讨论，但不做评价。教师举例摩天大楼帮助学生理解。在没有摩天大楼之前，最高的建筑物只能屹立约10层楼。这是因为用于构造结构的主要材料是木材。建筑师对更高的建筑物有计划和希望，但当时的可用材料无法使建筑物承受的建筑物重量超过大约10层。工程师开始开发比木材强得多的钢梁，可用于建筑建筑物和桥梁。今天，我们称这些坚固的光束为工字梁（展示图片）。钢工字梁的开发正是建筑师建造高层建筑所需要的。结果，摩天大楼开始高高地冲向天空。显然，现代城市及其令人惊叹的天际线是工程师和建筑师之间共同努力的结果。没有这两种类型的工程，就无法实现建筑物和其他结构的高度和美感。因此，我们知道建筑师想要建造更大，更精致的建筑，工程师帮助他们确定了如何使其成为可能。看来，架构师想出了一个主意，然后制定了一个计划，工程师可以帮助他们执行。建筑师的计划有一个特殊的名称-它被称为蓝图（展示图片）。建筑师创建了蓝图（建筑计划）后，工程师检查了建筑师的设计并决定必须使用哪些材料来使建筑师的设计完成并使建筑物足够坚固以供使用。许多类型的工程师还从事建筑物内的其他系统，例如电梯，照明，供暖，通风，空调，管道等。它需要大量的工程团队来设计，建造和准备建筑物以供日常使用。从选择合适的家具到节能的窗饰再到隔音地毯，建筑设计中涉及许多细节。制作停车场模型首先设计。团队合作共同绘制蓝图，考虑自己所设计的停车场的外观以及工程结构是怎么样的，都有哪些安全问题需要考虑，使用效率是否合理，根据蓝图选择自己团队需要的建筑材料，并且需要注意经费预算，要在合理的范围内进行。其次建造。团队合作动手搭建，涉及到解决不了的问题可以记录下来像教师求助或课后通过邮件像相关领域的专家求助解答。最后测试。通过汽车模型来测试每一个团队所搭建的停车场的承载力，安全程度，稳固程度等。（4）教学评估这门课程中分为三个阶段的评估，分别是教学前评估-课堂中评估-课后评估教学前评估讨论问题：征求、整合和总结学生的回答。教师提问：有人知道工程师是干什么的吗？（答案：工程师是为了社会的利益而设计和建造东西的人。工程师利用数学和科学来设计和建造结构、设备和工艺。）谁能解释建筑师的工作？（答案：建筑师是为建筑物或构筑物进行创造性设计的人。）有人能想到这两种职业何时会合作吗？（答案：在摩天大楼、奥林匹克体育场或任何结构的设计和建造中）除了土木工程师外，还有哪些类型的工程师参与建造结构？（答案：电气工程师、土地开发工程师、照明工程师、机械工程师等）课堂中评估奥林匹克设计：作为一门课程，选择一个奥林匹克建筑或场地，然后列出在设计该建筑时要完成的主要任务。其中一些任务包括：搞清楚门道的正确尺寸、浴室的数量、电灯开关的位置、使用哪种材料等。试着弄清楚这些任务是建筑师或工程师图纸/设计的一部分。（答案：门口——建筑师；浴室——建筑师；电灯开关——工程师；材料——工程师。）当学生调出构件时，将构件分为两列，一列写在“建筑师”下，另一列写在“工程师”下。让学生帮你决定建筑物的构件应该放在哪一列下。询问学生们是否记得为了建造高大复杂的建筑物必须开发什么。（答：钢结构）提醒学生建造一个结构可能相当复杂，因此建筑师和工程师进行良好的团队合作以满足客户的需求和愿望是非常重要的。课后评估绘图：让学生画出他们的奥林匹克酒店，并为他们的房间做一个“蓝图”。蓝图应该包括门道和房间的部分，而不是家具或配件，除非它们建在酒店内。让学生为工程师设计的零件（电灯开关、管道等）贴上标签。你可能需要在黑板上画一个蓝图的例子，这也有助于解释什么是房间或建筑物的“顶视图”。1.2案例2：建造一个过山车确定教育目标本节课所适用6到8年级的学生，在本节课中，学生们利用泡沫管和弹珠建立各自的小型过山车模型，然后利用课堂上学习的相关物理原理、工程原理对它们进行分析，并检查动能和势能之间的转换和摩擦，过山车完全由重力驱动。通过在模型中使用不同的弹珠类型来代表不同的乘客负荷，并从中选出最恰当的过山车模型。本节课目标如下：请解释为什么对工程师来说理解过山车的工作原理很重要。用物理术语解释他们的模型过山车是如何工作的。结合过山车的设计，讨论重力和摩擦力的大小。运用能量守恒原理讲解过山车的设计与布局。在过山车轨道上找出汽车动能和势能最大的点。在过山车轨道上找出汽车承受大于或小于1g重力的点。选择教学内容四人为一小组开展过山车模型设计，利用所学的物理及工程设计原理，对模型设计进行思考。例如可用或首选的建筑材料、施工预算和时间框架用户的安全措施、持续的维护要求和/或预期的天气条件，以及过山车外形和运动轨迹样式的设计，如倒置的循环，特定的角度转弯，下降的长度或最大速度。但这些都要基于对乘坐过山车用户安全的保证。其次是自然物理定律相关知识的讲解，如重力的限制和斜坡、速度和摩擦力的影响。组织教学活动本节课的组织教学活动中的要求：把全班分成三到四个学生的工程组。分发班级比赛的得分规则。创意点列表为学生提供了过山车设计中所需要的功能(高度、转弯、循环)的指导，而性能点列表则提供了一种判断过山车安全性的方法。告诉学生们:在我们的过山车模型中，玻璃弹珠模拟了一辆普通的汽车，木制弹珠代表了一辆空的汽车，而钢弹珠代表了一辆满载的汽车。你的团队将通过每一种弹珠(乘客负载)成功完成你的轨道并安全降落在杯子中获得积分。在班级竞赛选出一个最具创新和最成功的过山车模型。在30分钟内让小组开始设计他们的过山车，小组内部集思广益，并商定一个设计。让学生在纸上画他们的过山车，然后给它们明明，并制作标志。教师在学生设计完成字后，来检查他们的图纸，以确保他们提出的设计在物理上是可能的。如果不合格，指出他们需要重新设计的方面，并给学生重新设计模型的时间。给每组一个泡沫管轨道，胶带和杯子，并让他们利用这些材料建造各自的过山车模型使用。在10分钟内或者更早完成设计的小组获得的分值越高。给学生弹珠，以便他们能够测试他们的过山车模型，对需要修改的地方进行重新设计，这是最耗时的步骤，学生可能需要45分钟来重新设计他们的轨道。给每组分发一个秒表，并给他们时间来完成工作表，各小组在工作表中来记录各自过山车实验中的数据。开始课堂竞赛，告诉学生今天所做的实验相当于工程师们制造小规模模型实验，帮助他们测试和分析他们的结构设计。让每个小组向全班展示他们的过山车模型。使用评分规则来评估过山车模型的设计。评价结果并反馈活动过程评估检查每个小组是否理解其过山车的工作原理和原因。如果过山车坏了，问问学生他们认为是什么问题。看看他们是否能识别出物理约束并解释诸如“它不够高”或“弹珠摩擦太多”的问题，如“它没有足够的势能，因为它不够高”或“弹珠和轨道之间的摩擦太大了”。测定速度：让学生测量他们的过山车的长度(也就是说，可以测量泡沫管的长度)和弹珠完成轨道所需的时间。要求学生计算弹珠的速度，单位是m/s，单位是ft/s。绘图：在测试过程中，绘制第一个高坡的高度与弹珠平均速度的关系图，并描述这个关系(例如，随着高度的增加，速度的增加)。活动后评估工作表：让每个学生(或每个小组)完成“过山车模型工作表”，要求学生能够识别过山车的一些关键点以及其他规格，如高度、圈数和转弯数。检查学生的答案，以判断他们对概念的理解程度。展示：让每个小组向全班同学展示它的过山车模型。使用建议的计分标准对班级比赛的过山车进行评估。将结果进行讨论，并对学生进行提问：哪些过山车最刺激？它们是安全的吗？哪一个设计获得了创意奖？哪一个赢得了性能和安全？哪一款车型在惊险的设计和安全性方面最能满足整体挑战？它是如何达到惊险与安全的权衡？(注意：工程师将此称为优化，即平衡相互竞争的项目需求。)你从测试模型中学到了什么？如果你要重新设计你的过山车，你会做哪些改进，为什么？工程师在他们的设计(电器、汽车、桥梁、楼梯、过山车等)被建造和人们使用之前测试它们有多重要？我们今天使用了哪些工程设计步骤和技术？等等。1.3案例3：用“太阳”烹饪——制作太阳能烤箱（1）确定教育目标太阳能烤箱的设计、制作和测试是一个工程性项目，需要利用热转移机制将材料科学与机械工程学进行结合。在全球范围内都有使用，能够作为一种无需燃料且无烟的烹饪、烘焙和水去污染方式，对于偏远和贫困地区尤其如此。本节课教育目标为：解释辐射的概念并列举对太阳能进行收集和存储的方式。明白部分材料不导热，因此能够进行良好的隔热。列举不同可以用于收集和存储太阳热能的材料。绘制并分析温度时间数据。（2）选择教学内容向各学生小组提供一套材料：纸板、隔热材料、铝箔和有机玻璃，挑战制作太阳能烤箱。太阳能烤箱必须能够尽可能多地收集和集中太阳光的能量。学生通过太阳能烤箱的隔热性能了解通过传导实现的热传递并通过太阳能烤箱吸收太阳能辐射的能力了解辐射。学生将使用太阳能烤箱烹饪食物从而对其设计进行有效性的定性分析，并通过进行定期温度测量并绘制温度时间图标的方式对其设计进行有效性的定量分析。最后，学生从工程师的角度思考并分析太阳能烤箱相比于传统炉灶的优势与劣势。向学生展示世界各地使用的太阳能烤箱的图片，如其他多媒体辅助材料部分的两分钟InfinityBakery太阳能烤箱YouTube视频等。此外，还可以向学生展示全球特别是发展中国家使用太阳能烤箱和太阳能的统计数据。讨论热传递概念是如何在太阳能烤箱中发挥作用的。装置需要将太阳辐射集中到烤箱中央。锅应当能够尽可能地吸收太阳辐射。然后，烤箱的剩下部分需要设计成隔热结构，可以使用隔热材料进行制作。引导学生思考烤箱如何加热并保持温度？烤箱是如何保持温度的？使用了哪些材料？（3）组织教学活动使用上述建议材料，让学生自由发挥进行设计。制作完成后，学生需要在阳光较好的天气下使用温度计在一小时内每十分钟对烤箱温度进行测量，随后每小时测量一次（总用时至少3-4个小时），从而评估烤箱的有效性。如果学生还有其他课程，则也可以由老师代为测量温度。学生还需要使用烤箱用烤饼干从而对烤箱的有效性进行定性评估。学生还要在方格纸上使用收集到的数据绘制温度时间关系图。最后学生共同享用烤好的食物。（4）教学评价课堂讨论和展示进行课堂讨论对学生准确介绍所用材料的能力进行评估。要求各小组对其太阳能烤箱进行课堂展示。要求每一名学生都参加。要求各小组介绍其太阳能烤箱的工作原理以及选择材料/设计的原因，如反射材料类别以及使用的隔热材料等。提出如下问题，判断学生是否通过此次太阳能烤箱制作活动掌握了关键性概念：太阳能烤箱是如何工作的，你们为什么会选择这些材料呢？太阳能烤箱的哪一部分具有比较高的热传导性？太阳能烤箱的哪一部分具有比较低的热传导性？辐射是如何利用的？反射板的辐射率是高还是低？为什么？你们是如何防止发生对流冷却的？你们的隔热材料在哪里？你们使用了哪种隔热材料，为什么？课后评估：要求学生绘制温度时间关系图并回答：什么样的烤箱最热？设计上有什么不同？设计上的差异是如何影响效果的？1.4案例分析1.1.1课程目标从案例中可以看到不同的课程会根据所面向的年级、课程内容确定不同的课程目标，但这些课程目标都不是凭空设立的，都依据了《下一代科学教育标准》、《技术素养标准》、《州核心教育标准》等文件。案例围绕培养学生STEM素养确立课程目标，包括:（1）培养学生技术与工程素养。通过停车场的构建、过山车的模型设计等来教授学生工程设计原理，教师引导学生界定研究问题，设计方案/模型，再通过测试来验证设计方案的合理性，进而改进方案，这培养学生理解、使用及创造技术/工程产品的能力。这其中也包括培养学生的问题解决能力和团队合作能力。（2）培养学生科学素养。案例中过山车的设计、烤箱的制作都离不开物理及化学知识的运用，STEM素养也是学生综合素养的培养，建立学生跨学科联系能力以便更好应对未来社会等，案例都分别有体现出课程整合的内容。（3）意识到现代社会数学、科学、技术与工程的重要作用与意义。在案例中教师通过网站视频观看、讲解等形式，让学生感受到科学技术在现代社会至关重要的意义，不仅关系到国家安全与稳定，也关系到每一个公民的生活方式与生活质量。（4）培养学生系统思维。在案例中可以看到学生在设计方案时教师会引导学生进行全方面的考虑和分析，系统思维是解决当前众多社会问题所必须的能力，很多时候问题解决的程度与好坏，取决于自身对于这个事件的系统的理解，如果对于构成这个事物或事件的系统有充分的认识和理解，那么就更易理清系统间各个部分的关系，将大事件转化为一个个小事件，进而有序的实现问题解决。现实社会中复杂系统无处不在，整合化的课堂内容更能够让学生接触到这类问题，为未来进入社会做好心理和能力上的准备。（4）为未来学生进入STEM领域进行劳动力的培养准备。这是基于美国STEM劳动力缺乏及行业发展的现实问题，案例中的课程设计也无不围绕培养未来的工程师、创新人才、设计师等，以多样化的课堂开展培养学生STEM兴趣。1.1.2课程内容在三个案例中可以看出，虽然工程设计并没有被明确列为课程目标之一，但是每一个案例都融入使用了工程设计的内容，将工程设计作为课程重点。通过案例可以看出课堂设置符合工程设计的确定问题-设计方案-测试方案-再设计的步骤。案例都是以小组合作的形式开展，并且教师都会帮助学生明确自己在团队中的角色和身份