資源簡介

普 通 高 中 教 科 書
《通用技術》選擇性必修10：科技人文融合創新專題
第一章 科技人文融合創新概述
第一節 認識STEAMS
教學設計
教學背景
習近平總書記在全國教育大會上強調，要在黨的堅強領導下，全面貫徹黨的教育方針，堅持馬克思主義指導地位，堅持中國特色社會主義教育發展道路，堅持社會主義辦學方向，立足基本國情，遵循教育規律，堅持改革創新，以凝聚人心、完善人格、開發人力、培育人才、造福人民為工作目標，培養德智體美勞全面發展的社會主義建設者和接班人，加快推進教育現代化、建設教育強國、辦好人民滿意的教育。
教學目標：
知識與技能目標:
1.理解STEAMS的概念，掌握STEAMS的結構分析。
2.了解國際上STS、STEM、STEM+理念的發展歷程。
3.理解學習領域融合對知識創新的意義。
4.體會多學科融合創新的重要性。
教學內容分析:
以《普通高中通用技術課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《標準》）為依據，以全面貫徹落實《標準》所倡導的以提高學生的技術素養和創新能力為目標。本模塊的核心價值在于多學科知識的綜合運用，科技人文融合創新項目的實施以興趣、問題、活動等為中心，充分結合科學、技術、工程、藝術、數學、社會等學科知識，適當利用信息技術，注意在教學中融入愛國主義教育和革命傳統教育，注意與中華優秀傳統文化相結合。
學情分析:
學生對通用技術的了解認識有限，面對未來，他們需要學習有關通用技術的知識。
通過本模塊的學習，同學們能理解科學、技術、工程、藝術、數學、社會等各學科之間的緊密聯系和科技人文融合創新的重要性；初步掌握相關科學原理及其應用、數學知識及其應用、材料及其加工、模型制作及其工藝等基本知識與基本技能，初步形成在具體領域中運用結構與功能、權衡與優化、設計與創新等技術思想與方法的能力，提高設計創新能力；弘揚勞動精神和創新精神；形成系統思維與工程思維，培養團隊意識和合作能力，樹立投身我國科技創新以及中華民族偉大復興事業的人生理想。
教學重難點:
理解STEAMS的概念，掌握STEAMS的結構分析。
了解國際上STS、STEM、STEM+理念的發展歷程。
理解學習領域融合對知識創新的意義。
體會多學科融合創新的重要性。
教學策略:
以案例或項目引入，介紹從事科技人文融合創新項目活動的基礎條件，工具、材料、圖樣、工藝、技術參數等技術要素，以及性能需求、生命周期、標桿分析和反求工程等的分析方法在科技人文融合創新項目活動中的獨特作用。以技術與工程問題為牽引，以項目實踐為指引，通過設計多種專題實踐項目，讓同學們經歷科技人文融合創新項目活動的全過程。通過這些實踐活動，同學們可了解技術與工程項目所蘊含的科學、技術、工程、藝術、數學、社會等因素，并能通過比較、權衡等方法剖析這些因素間的制約關系和通約特性。
教學準備:
展示用的圖片、其他技術產品、多媒體課件。
教學過程:
情景導入:
老師：本節課我們學習《通用技術》選擇性必修10：科技人文融合創新專題　第一章 科技人文融合創新概述　第一節 認識STEAMS。
在科學、技術、工程、藝術、數學、社會之間存在著一種相互支撐、相互補充、共同發展的關系。如果要更好地了解它們，尤其是它們之間的關系，就不能獨立地看其中某個部分，只有在交互中、在相互的碰撞中，才能對它們有更深層次的認識和理解。
科技人文融合創新，有別于傳統的單學科、重書本知識的教育方式，是更加重視實踐的多學科融合學習。
一、STEAMS的概念
STEAMS是科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）、藝術（Arts）、數學（Mathematics）、社會（Society）的合稱，其核心是跨學科的融合。
案例
活塞式內燃機汽車（圖1-1）（參見教材P2）依靠內燃機工作提供動力，內燃機的工作過程是一個將化學能轉化為機械能的過程，通過氣缸活塞來實現能量的轉化，這個應用就是“科學”的應用；工廠加工氣缸和活塞等零部件，是一個“技術”的過程；汽車有許多零部件，將它們組合成一輛汽車，這個過程稱為“工程”；有的汽車外觀設計得很漂亮，深受人們的喜愛，這就有“藝術”的因素；汽車重心的高低、風阻的大小等，對汽車運動過程中的安全性、可靠性是有影響的，要經過嚴密的計算，這就應用了“數學”；汽車成為一種交通工具，方便人們出行，提高了人們的生活品質，汽車也成為一種運輸工具，推動了社會發展，同時也產生交通擁堵和環境污染等“社會”問題。
討論
在汽車的設計中如果忽略STEAMS中的某一要素，你認為會產生什么影響？
分析
表1-1列出了汽車的某些元素，分析其作用，在空格里填寫STEAMS中的某一字母（可加中文標注）。
表1-1 分析汽車的某些元素與STEAMS的關系
元 素 屬于STEAMS中的哪一項
油箱加油口蓋內側貼有輪胎充氣氣壓的值
車標
精密齒輪
擋風玻璃上貼的環保標志
除霧原理
師傅給汽車加裝倒車雷達
駕駛座位前后高低可以調節
思考
汽車生產企業需要哪些人才？平常我們應該關注和學習哪些知識以適應未來的職業發展？
二、STEAMS的發展歷程
STEAMS經歷了以下四個發展階段：STS→STEM→STEAM→STEAMS。
閱讀
STS：
STS是科學（Science）、技術（Technology）和社會（Society）的合稱。它探討和揭示科學、技術和社會三者之間的復雜關系，研究科學、技術對社會產生的正負效應。其目的是改變科學和技術分離，科學、技術和社會脫節的狀態，使科學、技術更好地造福于人類。
STS教育是科學教育改革中興起的一種新的科學教育構想，其宗旨是培養具有科學素質的公民，它要求教育面向公眾，面向全體，強調理解科學、技術和社會三者的關系，重視科學與技術在社會生產、人們生活中的應用，重視科學的價值取向，要求人們在從事任何科學時，都要考慮社會效應，并能為科技發展帶來的不良后果承擔社會責任。
STS研究和STS教育始于20世紀60—70年代西方發達國家，當時科學技術迅速發展，帶來了經濟發展、社會繁榮、人們生活水平提高，但與科學技術發展有關的重大社會問題（如環境、生態、人口、能源、資源等）也隨之不斷出現。為了解決這些問題，STS研究和STS教育應運而生。STS研究和STS教育的產生是社會發展的需要。
我國在20世紀80年代中期引進了有關STS教育的理論，并對大學、中小學STS教育進行了理論和實踐的研究。
STEM：
STEM代表科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）和數學（Mathematics）。STEM教育就是科學、技術、工程和數學的教育。歐美一些發達國家政府的STEM計劃是一項鼓勵學生主修科學、技術、工程和數學領域的計劃，并不斷加大科學、技術、工程和數學教育的投入，培養學生的科學素養。
STEAM：
STEAM代表科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）、藝術（Arts）以及數學（Mathematics）。STEAM教育就是集科學、技術、工程、藝術和數學多學科融合的綜合教育。
STEAM是從STEM教育計劃演變而來的，STEM是由發達國家政府主導的一項教育計劃，旨在打破學科疆域，通過對學科素養的綜合應用解決實際問題，同時培養綜合性的人才。
STEAM比STEM計劃多了一項藝術，相對來說，STEAM比STEM注重的元素更加多元化，要求的學科能力更豐富多樣。
STEAMS：
STEAMS就是在STEAM的基礎上增加社會（Society）的一項內容，強調不要忽視社會效果，為科技發展帶來的不良后果承擔社會責任。STEAMS教育的核心主張跨學科的融合，形成學科綜合的視野，能綜合運用科學、技術、工程、藝術、數學和社會的知識、方法和基本技能，形成系統的方法論和工程思維，提高創新能力。
討論
（1）你認為STEAMS還可能怎樣發展？
（2）結合本校所開設的課程（包括校本課程），討論在STEAMS教育中，各學科所屬元素。
案例
張先生打電話聯系一家工廠，請工廠給他加工一個零件。工廠聯系人聽了他的表述后，請他使用即時聊天軟件交流。張先生不愿意，希望在電話里說清楚他的意圖。聯系人說，在電話里是很難說清楚的，最好用圖來表達，用即時聊天軟件可以截圖。張先生卻說他不會截圖。工廠聯系人說：“對不起，我們沒辦法為您提供準確的服務！”
分析
張先生的知識結構里缺少什么素養？我們在平時的學習當中要注意什么問題？
三、知識創新
知識創新是指通過科學研究，包括基礎研究和應用研究，獲得新的基礎科學和技術科學知識的過程。知識創新的目的是追求新發現、探索新規律、創立新學說、創造新方法、積累新知識。知識創新是技術創新的基礎，是新技術和新發明的源泉，是促進科技進步和經濟增長的革命性力量。知識創新為人類認識世界、改造世界提供新理論和新方法，為人類文明進步和社會發展提供不竭動力。
討論
（1）近期有哪些新的知識是過去沒有的？這些知識是怎樣產生的？
（2）圖1-2（參見教材P5）是人類思維思想自我循環原理示意圖，簡述人類知識體系是如何形成和發展的？學習領域融合對知識創新有什么意義？
案例
機器人制作是中小學科技創新教育中常見的活動（圖1-3）（參見教材P96，我國許多省市每年都舉行中小學機器人競賽。競賽中用到的機器人套件，常常有一個稱為“RCU”的模塊，是機器人的“大腦”。其核心是一塊被稱為“單片機”的集成電路，這種集成電路與一般集成電路不同，它的引腳（簡稱IO口）的輸入輸出功能是可以通過編寫程序的方式來改變的，而通常的集成電路的引腳功能在出廠時就已經固定。“單片機”編程一般用匯編語言或者C語言，往往涉及比較深奧的計算機知識，這些知識對中小學生來說是比較難掌握的。為了解決這個問題，專家設計了圖形化編程軟件，把各種功能的程序集合成各種模塊，通過模塊化的圖形連接，就可以快速設計出單片機的程序，滿足中小學生編程的需求，也由此衍生出相應的課程。
討論
（1）為什么說機器人圖形化編程軟件是知識創新的成果？這種創新有什么意義？
（2）你認為機器人技術融合了哪些方面的知識？
四、多學科融合創新
多學科融合創新要注意學科間的相互聯系，不但要重視和提升動手實踐能力，而且要不斷提高創新意識。
延伸閱讀
發明故事：Nanoleaf Bloom，一種不需要調光器的可調光燈泡
小小的燈泡可以創新嗎？朱嘉鈞、Tom Rodinger、閆思成（圖1-4）（參見教材P7）這三名來自多倫多大學畢業生的發明讓人眼前一亮。
2001年，他們結識于多倫多大學工業設計系。三人曾一起在學校的太陽能車隊的研發團隊工作，用綠色科技改變世界的共同夢想使他們走到一起。
考慮到市面上的照明產品，沒有任何一款能夠將能源利用的效率最優化，他們決定以重新發明燈泡的方式為世界帶來一道璀璨的光！很快，他們共同創辦了Nanoleaf照明公司。之所以選擇Nanoleaf作為名稱，是因為這個詞結合了科技與綠色。2010年初，他們放棄了原本待遇豐厚的工作，來到世界LED產業的中心——深圳，開始全職研發產品原型。
為了解決燈泡能耗問題，一年時間里，他們為封裝技術跑遍了深圳200多家封裝廠，因為好的封裝是LED燈降低能耗的基礎。一家LED公司被他們的產品設計理念打動，決定把最先進的封裝生產線獨家用于Nanoleaf。終于，他們成功研制出“全世界最省電的納米LED燈泡”“史上第一款不需要調光器的可調光燈泡”——Nanoleaf Bloom（圖1-5）（參見教材P8）。
看到Nanoleaf Bloom的第一眼，驚艷感就撲面而來。完美的幾何形狀，棱角分明，果然和普通燈泡不一樣。
不過，這些都不是重點，它真正的創新之處為Nanoleaf Bloom是全球第一款不需要調光器的可調光燈泡。使用普通的開關就能隨意調節燈光亮度，用家里最傳統的電燈開關也可以，不用連接APP，也無須購買任何額外的配件。
為了實現這一功能，設計師在燈泡里加入一塊特制專利芯片，它可以直接從任何傳統開關截取信號。正常按動開關，光線就會從最暗逐漸變亮，到合適的光線強度時快速按動兩次開關即可將亮度鎖定，再快速按動兩次開關就會從最亮逐漸變暗，到合適的亮度后，相同操作即可將亮度鎖定。最亮的時候，它的亮度相當于75W的燈泡甚至更亮，但耗電卻不超過10W。光調得越暗，就越省電（圖1-6）（參見教材P9）。
Nanoleaf Bloom還自帶夜燈模式，開啟后只有5%的亮度，能耗僅為0.5W，這個亮度當夜燈最適合不過了。只要快速按動電源開關三下，就能迅速切換到夜燈模式。除此之外，Nanoleaf Bloom在節能和耐用方面的表現，同樣令人驚艷。它比普通LED燈泡省電88%；而且為了讓燈泡更加堅固，開發團隊采用了一種叫PCB印刷板的材料作燈體，經由折疊，燈泡形成了11面體，比傳統的玻璃燈泡更加耐用，且不易打碎。
Nanoleaf Bloom燈泡有11面，每面鑲嵌了3顆LED節能燈珠，通過這33顆燈珠，燈泡每瓦可輸出120 lm的光通量。這樣的設計還可以讓燈泡更有效地散熱，即使在燈最亮的時候，用手直接抓握燈泡也不會感覺發燙。
2013年1月，Nanoleaf Bloom上線Kickstarter后隨即獲得了全球81個國家的支持，眾籌金額瞬間達27萬美元，遠超當初目標的10倍。2013年11月，李嘉誠親自與3位創始人面談后就決定投資了！Nanoleaf還獲得了2015年SEAD全球環保節能獎章和大名鼎鼎的德國紅點設計獎。
討論
（1）Nanoleaf Bloom融合了哪些知識和技術？
（2）Nanoleaf Bloom有哪些創新的地方？
（3）你認為怎樣才能提高自己的創新意識？Nanoleaf Bloom發明人的哪些品質值得你學習？
課后作業
習 題
（1）上網搜索本省20年來的高考模式，你認為這些模式對培養人才有什么利與弊？
（2）手機與人們的生活息息相關，分析手機所包含的科技人文融合創新要素，用字母填寫下表。
手機相關事項 科技人文融合創新要素
形狀與外觀
通信采用無線電傳輸
各部件緊密的結構
內藏天線的長短決定了無線電發射與接收的最佳狀態
外殼印刷精美的文字
收到詐騙信息
（3）科技人文融合對知識創新有什么意義？對我國深入實施科教興國戰略、人才強國戰略、創新驅動發展戰略有什么作用？
板書設計
第一章 科技人文融合創新概述
第一節 認識STEAMS
一、STEAMS的概念
二、STEAMS的發展歷程
三、知識創新
四、多學科融合創新
通用技術
選擇性必修10：科技人文融合創新專題
普 通 高 中 教 科 書
主 編 劉瓊發
副 主 編：李 榕 周衛星 朱美健 席春玲
本 冊 主 編：徐 明
本冊副主編：李鮒瑞 劉海峰
廣東教育出版社
廣東科技出版社

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