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STEM Scouts Curriculum

童子军STEM课程

                                                                                                     

STEM是一个基于四个特定学科 - 科学、技术、工程和数学 – 用跨学科和应用的方法教育学生的课程。 STEM不是将四个学科作为割裂的科目单独进行教授,而是将这四门学科整合在一起用于教学。

童子军的STEM 课程旨在通过向孩子们提出问题或挑战,然后让他们自己想办法处理,通过这个思考的过程得到进步。通过参加STEM 课程,孩子们将接触到STEM的各种学科,同时学习如何像一个STEM的专业人士一样思考和行动。为了做到这一点,我们使用以问题为导向的教学方法,使孩子们学习到STEM的科学方法和体验STEM 的工程设计过程。

童子军的STEM 科学方法将向孩子们展示,一个科学家是如何解决一个特定的问题的,包括以下步骤:

1.提出问题

2.做背景研究

3.提出假设,识别变量

4.设计实验,建立步骤

5.进行实验

6.分析结果,得出结论

7.沟通结果

因为孩子们要自己引导自己进行实验,所以他们最终得到的实验结果可能 不是很理想。 然而,这是很重要的一环,让他们犯错,然后鼓励他们思考出了什么岔子,以及下次他们可以如何做的不同。

我们在这里列举一些教学课题或实例,根据实际情况,这些例举的课题可能或可能不会在2017年IAP巅峰夏令营中学习到。所举实例仅是STEM课程的一小部分。



#1 风能

风能包括对风力的治理,就像人们几百年来用泵抽水或磨碎谷物一样。 今天一个风力涡轮机就可以利用风能来发电。 风力涡轮机安装在塔上,通常离地面约30米或更高以便利用更快、更集中的风力,并且因此捕获最多的能量。 当风吹动时,在每个叶片的下风侧形成一个低压空气区。 然后,低压气将叶片拉向其(或者,从另一方面来看,上风侧的高压空气将叶片推向下风侧),导致转子转动。这称为提升力,类似于作用在飞机机翼上的力。 实际上,提升力比风作用在叶片的前侧的力(即阻力)更强。 两个力共同作用,导致转子旋转,然后转轴旋转发电机以发电。

本篇,我们主要关注流体(如水和空气)的组成和性质,以及这些特性与太阳能结合如何产生风。 然后我们研究(1)风力,(2)世界各地的风的存在,和(3)旨将风能转化为电能的风力涡轮机的效率。

模型:热气球

热气球是一个使用风能的很好的例子。


热空气比冷空气密度小。 热度加速空气分子的运动,导致较少的分子占据与在较低温度下较多分子相同的空间。 使用较少的分子,热空气具有较小的质量,因此比等体积的较冷空气更具有浮力。热气球使用这些原理来产生可以通过空气推进或被风推动的携带人类的气球飞行器。

实验:如何制作一个热气球


#2 生物能

生物质是来自活的或最近活的有机体的生物材料。 生物质可以由诸如木材、废物、玉米或甘蔗等材料组成,并且可以转化为不同的材料以提供可再生能源。生物质是碳、氢和氧基的。 所有生物都包含这些元素。 为了了解生物质,我们必须了解碳循环,这是受生物质能源使用影响的关键的一个生物地球化学循环。

本篇我们将关注碳循环和由于二氧化碳增加而导致的气候变化。 然后我们调查各种生物质技术应用。 本篇的目标是了解生物质不仅可以通过燃烧释放能量,而且还可以转化为其他可用形式的能量,如甲烷气体或汽车燃料。

模型:碳循环

研究碳循环,桌面游戏

在这个游戏中,我们将向孩子们介绍碳循环的复杂性。 在游戏结束时,孩子们应该明白,碳可以在整个碳循环中呈现出许多形式,并且循环中没有设定的路径。

#3 现代遗传学 – DNA篇

DNA是包含构建细胞并保持其活性所需的所有说明的材料。本篇将向孩子们介绍5个章节,即什么是DNA、DNA是什么样子、什么是DNA结构、DNA做什么和DNA如何确定性状。

模型:提取DNA

在这个练习中,我们将利用DNA分子长而细的“线状”的特性来“缠绕”他们,也就是说,我们将它们缠在一根木棍上,像一根线。你可能知道,棉纤维(单独一根只有几英寸长并且很薄)可以组合成一根长且连续的线,因为它们倾向于彼此粘在一起并排排列。当DNA分子从溶液中提取出来时,同样的事情也可能会发生 - 如果我们从一端开始的话。我们在DNA开始沉淀的区域中通过缓慢扭动一根木棍来实现。最初被捕获并缠绕在木棍上的每个DNA分子将捕获并拉动几个其他分子,被捕获的分子然后捕获和拉动其他分子。因此,如果我们仔细地工作,我们可以将所有的DNA分子在试管中缠绕成一个长的、连续的线。虽然DNA分子是如此之薄,以至于你不能用肉眼看到它们之一,如果你把许多这样的分子结合在一起(如在本练习中),DNA变得可见,并且可以研究它的性质。

#4太阳能

日光是由太阳发出的电磁辐射的总波长(或频率)光谱。 日光包括可见光谱的所有颜色以及紫外线和辐射热。 在地球上,日光通过地球的大气层时被过滤,成为阳光。日光是光合作用的关键因素,对地球上的生命至关重要。 我们可以使用光学仪器来显示从太阳发射的各种波长的光的相对强度。 确定光的质量是特别重要的,因为我们知道光合作用的过程在某些波长(光的颜色)下更有效。因为在陆地和海洋上的光合作用产生了人类当前组合能量需求的八倍,所以最大限度地提高其作为可再生能源的效率是至关重要的。现在,我们已经对太阳能进行了有效的利用,但我们可以学会如何在未来更有效地使用它。

电磁谱是所有类型的电磁辐射的范围。 辐射是一种能量,随着它的前进而传播 - 从房间的灯发出的可见光和来自无线电台的无线电波是两种类型的电磁辐射。构成电磁谱的其它类型的辐射是微波、红外光、紫外光、X射线和γ射线。

光谱学是物质和辐射能之间相互作用的研究。 光谱学起源于可见光通过三棱镜会根据其光波波长的不同而被分解的研究。 光谱学后来扩展到对其他形式的电磁辐射的研究。光谱数据通常由光谱表示,数据作为波长或频率的函数的曲线图。

我们将使用光谱学来研究不同光源的质量,探索光能被不同物体(包括植物)传输和吸收的方式,并根据电磁辐射频率分析得出光源的能量效率。具体实验细节由于篇幅限制,此处不详述,咱们课堂上见分晓。

#5 火星探索 - 设计一个火星任务

好奇工程师如何设计火星任务? 在这个有趣的、互动模拟单元,孩子们将体验工程设计过程的基本原理,深入现场,用批判性思维真实还原这一过程。使用协作和解决问题的技能,孩子们将设计一个满足约束(预算、质量、权力)和标准(重大科学回报)的任务。 这项活动可以在技术教育中引入许多活动,包括机器人和火箭。

这个工程周期图是工程任务中实际发生的简化版本。 实际的过程是更反复的,当搜集到新信息时,通常从循环图的较后的步骤循环回到较早的步骤。

与你的小组成员合作,讨论你的火星使命,并确定你在工程设计周期的每个部分参与的位置。 在工程周期示意图的适当位置,写出团队参与的事件、问题、需求、解决方案、测试等。如果你的团队需要在任务计划期间返回(迭代)测试新的解决方案,则在步骤之间标上箭头。 循环中每个步骤旁边应该至少有一个示例。


#6 工程实验 – 水火箭

水火箭是一种使用水作为其反应质量的模型火箭。 这种火箭通常由用过的塑料软饮料瓶制成。 水被加压气体(通常是压缩空气)排出。像所有火箭发动机一样,它是牛顿第三定律的原则的体现。

需要的原材料:

1只2升的塑料瓶

一个葡萄酒软木塞,适合紧紧地放入瓶口

自行车内胎的阀门 - 阀门越长越好

适合阀门的手动或脚踏泵

一些东西可以放置塑料瓶,使瓶颈与地面成一定角度 – 例如花园叉

自来水


怎么做:

在软木塞上钻一个孔,然后将阀门穿过小孔。 孔的大小应该跟阀门吻合。

准备你的“启动装置”。 一个好的方法是在地面低平处放置一个花园叉,用以支撑塑料瓶。

将塑料瓶灌水至1/4处。 用软木塞和阀门密封瓶子。

注意,实验的场地必须空旷。

将瓶子放入“启动装置”。

将阀连接到气泵,并开始轻轻稳定地泵送空气。

持续的给空气,直到软木塞弹出,你的水火箭就一飞冲天啦!


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