《工程原理》通過(guò)展示工程師和設(shè)計(jì)專家塑造現(xiàn)代化社會(huì)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(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。
上冊(cè)具體介紹了工程設(shè)計(jì)過(guò)程、機(jī)械原理、能源技術(shù)、電氣系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)等與工程學(xué)有關(guān)的各種基礎(chǔ)知識(shí),通過(guò)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(duì)工程學(xué)知識(shí)的理解。
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)。其內(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。它也是跨學(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。語(yǔ)言生動(dòng)、圖文并茂,可讀性很強(qiáng)。與此同時(shí),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,希望這套書(shū)可以為我國(guó)當(dāng)前的課程改革、教材開(kāi)發(fā)服務(wù)。
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)。相比之下,我們就更需要努力了。如何彌補(bǔ)工程教育在我國(guó)基礎(chǔ)教育中的薄弱與空白?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
本書(shū)作者布雷特·A. 漢德利,戴維·M. 馬歇爾,克雷格·庫(kù)恩都是美國(guó)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(guó)最大的非營(yíng)利性STEM教育項(xiàng)目提供者項(xiàng)目引路機(jī)構(gòu)任教多年,教學(xué)經(jīng)驗(yàn)豐富。
叢書(shū)主編:張民生,國(guó)家教育咨詢委員會(huì)委員,上海教育綜合改革咨詢委員會(huì)委員,原上海市教育委員會(huì)副主任,中國(guó)教育學(xué)會(huì)副會(huì)長(zhǎng),上海市教育學(xué)會(huì)會(huì)長(zhǎng)。
第1章 工程學(xué)概述 2
引語(yǔ) 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(kāi)拓者 8
交通運(yùn)輸時(shí)代 12
電氣時(shí)代 15
工程師協(xié)會(huì) 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(bǔ)充作業(yè) 25
工程學(xué)發(fā)展大事記 26
第2章 設(shè)計(jì)工具 32
引語(yǔ) 33
設(shè)計(jì)過(guò)程 34
草圖 45
為思想建模 46
分析過(guò)程 53
演示工具 53
總結(jié) 59
課后作業(yè) 60
補(bǔ)充作業(yè) 61
第3章 機(jī)械效益 62
引語(yǔ) 63
力、功和功率 63
機(jī)械效益 67
六種簡(jiǎn)單機(jī)械 69
復(fù)合機(jī)械 94
總結(jié) 97
課后作業(yè) 99
補(bǔ)充作業(yè) 99
第4章 機(jī)械構(gòu)造 100
引語(yǔ) 101
連桿機(jī)構(gòu) 101
凸輪和從動(dòng)件 106
軸承 112
齒輪 114
鏈輪和鏈條傳動(dòng) 130
總結(jié) 139
課后作業(yè) 140
補(bǔ)充作業(yè) 141
第5章 能量 142
引語(yǔ) 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(duì)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(bǔ)充作業(yè) 177
第6章 電氣系統(tǒng) 178
引語(yǔ) 179
原子 180
靜電與電荷定律 182
電流 183
電壓的來(lái)源 185
常用電學(xué)單位 188
數(shù)字萬(wàn)用表 191