《工程原理》通過展示工程師和設(shè)計專家塑造現(xiàn)代化社會所依據(jù)的原理和概念,培養(yǎng)學(xué)生的技術(shù)素養(yǎng)以及解決問題的能力。這些能力在后續(xù)的工程學(xué)學(xué)習(xí)以及工程技術(shù)活動中都是非常寶貴的。該書可以幫助高中生在現(xiàn)有數(shù)學(xué)和科學(xué)知識的基礎(chǔ)上,理解什么是工程學(xué)。同時,它也可以激發(fā)學(xué)生對工程學(xué)領(lǐng)域以及技術(shù)領(lǐng)域職業(yè)的探索熱情。
上冊具體介紹了工程設(shè)計過程、機械原理、能源技術(shù)、電氣系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)等與工程學(xué)有關(guān)的各種基礎(chǔ)知識,通過趣味閱讀、拓展閱讀、練習(xí)題、工程師職業(yè)介紹等小欄目幫助學(xué)生加深對工程學(xué)知識的理解。
本套中小學(xué)工程教育叢書是從美國引進(jìn)的,有很多值得借鑒的優(yōu)點。其內(nèi)容系統(tǒng)、完整。書中對工程學(xué)科有全面、系統(tǒng)的介紹,包括工程設(shè)計的一般流程,工程建設(shè)相關(guān)的工具、材料、職業(yè)等。書中還結(jié)合具體的工程項目,介紹了物理、數(shù)學(xué)等學(xué)科知識在工程問題中的應(yīng)用。它也是跨學(xué)段的系統(tǒng)設(shè)計,初中階段的學(xué)生用書是《工程學(xué)入門》,高中階段的學(xué)生用書是《工程原理》《工程設(shè)計導(dǎo)論》,內(nèi)容的難易與梯度都比較合適。語言生動、圖文并茂,可讀性很強。與此同時,整套書不僅有功能類似傳統(tǒng)教材的學(xué)生用書,還有配套實踐手冊,可供學(xué)生練習(xí)、提高。他山之石,可以攻玉,希望這套書可以為我國當(dāng)前的課程改革、教材開發(fā)服務(wù)。
教育要面向未來多變的社會,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)科的知識和能力越來越重要,這也是我國當(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,通過加強跨學(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。我國的基礎(chǔ)教育歷來十分注重學(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),但長期以來已被固化,缺乏與時俱進(jìn)的深化和拓展。近年的課程改革又開始重視綜合性課程和跨學(xué)科課程的開發(fā),如全國課程改革中的綜合實踐活動課程,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,這些課程缺乏了一個重要內(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)計思維和實踐能力放在重要位置,這就要求能夠在面臨一個復(fù)雜的、綜合性的任務(wù)時,創(chuàng)造性地利用各種手段和方式去完成任務(wù)。在設(shè)計思維里,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)計思維和實踐能力的一個很重要的載體,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)注課程的育人價值,在今天特別要考慮課程面對未來的育人功能。工程教育的缺失會產(chǎn)生育人的短板,這也是國際教育界通過反思之后特別重視STEM課程的重要原因。當(dāng)前,加強工程教育已經(jīng)成為國際共識。相比之下,我們就更需要努力了。如何彌補工程教育在我國基礎(chǔ)教育中的薄弱與空白?由于當(dāng)前國內(nèi)還沒有理想的中小學(xué)工程教育教材,所以需要學(xué)習(xí)和借鑒。本套中小學(xué)工程教育叢書是從美國引進(jìn)的,有很多值得借鑒的優(yōu)點。首先,內(nèi)容系統(tǒng)、完整。書中對工程學(xué)科有全面、系統(tǒng)的介紹,包括工程設(shè)計的一般流程,工程建設(shè)相關(guān)的工具、材料、職業(yè)等。書中還結(jié)合具體的工程項目,介紹了物理、數(shù)學(xué)等學(xué)科知識在工程問題中的應(yīng)用。其次,它是跨學(xué)段的系統(tǒng)設(shè)計,初中階段的學(xué)生用書是《工程學(xué)入門》,高中階段的學(xué)生用書是《工程原理》《工程設(shè)計導(dǎo)論》,內(nèi)容的難易與梯度都比較合適。第三,語言生動、圖文并茂,可讀性很強。最后,整套書不僅有功能類似傳統(tǒng)教材的學(xué)生用書,還有配套實踐手冊,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)工程教育叢書的翻譯出版,可以為我國當(dāng)前的課程改革、教材開發(fā)服務(wù)。希望國內(nèi)的相關(guān)人士,能夠在此基礎(chǔ)之上,開發(fā)本土中小學(xué)工程教育教材。
張民生2017年12月
本書作者布雷特·A. 漢德利,戴維·M. 馬歇爾,克雷格·庫恩都是美國資深技術(shù)教育教師,擁有工程技術(shù)教育方面的學(xué)士和碩士學(xué)位,并在美國最大的非營利性STEM教育項目提供者項目引路機構(gòu)任教多年,教學(xué)經(jīng)驗豐富。
叢書主編:張民生,國家教育咨詢委員會委員,上海教育綜合改革咨詢委員會委員,原上海市教育委員會副主任,中國教育學(xué)會副會長,上海市教育學(xué)會會長。
第1章 工程學(xué)概述 2
引語 3
美索不達(dá)米亞文明 4
埃及文明 6
希臘文明 7
羅馬文明 8
中世紀(jì)文明 8
工程技術(shù)開拓者 8
交通運輸時代 12
電氣時代 15
工程師協(xié)會 18
為進(jìn)入工程領(lǐng)域做準(zhǔn)備 19
工程師都做哪些事? 19
總結(jié) 24
課后作業(yè) 25
補充作業(yè) 25
工程學(xué)發(fā)展大事記 26
第2章 設(shè)計工具 32
引語 33
設(shè)計過程 34
草圖 45
為思想建模 46
分析過程 53
演示工具 53
總結(jié) 59
課后作業(yè) 60
補充作業(yè) 61
第3章 機械效益 62
引語 63
力、功和功率 63
機械效益 67
六種簡單機械 69
復(fù)合機械 94
總結(jié) 97
課后作業(yè) 99
補充作業(yè) 99
第4章 機械構(gòu)造 100
引語 101
連桿機構(gòu) 101
凸輪和從動件 106
軸承 112
齒輪 114
鏈輪和鏈條傳動 130
總結(jié) 139
課后作業(yè) 140
補充作業(yè) 141
第5章 能量 142
引語 143
能量的形式 144
能量為何重要 145
熱 145
能量的單位 150
白熾燈和熒光燈的對比 152
熱力學(xué)的基本定律 155
可再生能源 158
不可再生能源 166
能源效率和節(jié)能 173
總結(jié) 176
課后作業(yè) 177
補充作業(yè) 177
第6章 電氣系統(tǒng) 178
引語 179
原子 180
靜電與電荷定律 182
電流 183
電壓的來源 185
常用電學(xué)單位 188
數(shù)字萬用表 191