作者：叶兆宁,叶艳,杨元魁
出版社：华东师范大学出版社
格式: AZW3, DOCX, EPUB, MOBI, PDF, TXT
穿越时空的工程师之简单机械试读：
丛书序言
在2018年新年来临之际，我收到了青少年STEM教育丛书的第一本《穿越时空的工程师之简单机械》。看似不起眼的题目，却有着独具匠心的设计，将STEM教育的理念、特征与教学方法融入其中，让人不由为之兴奋。
自从2012年上海第一次参加PISA测试以来，我国学生在动态问题解决和知识应用上的短板所导致的问题解决能力偏低的事实非常值得我们分析与深思。我们的学生和教师习惯于传授式的课堂，习惯于书本和教师给予的知识、答案与解题方法。这种传统的以知识为驱动的教育模式已经远远不能适应21世纪知识经济时代的需求与科技的快速发展。
2015年《地平线报告（基础教育版）》指出：“未来三到五年，全球不同地方的学校将发生的一个转变就是学习者尝试通过开展创造活动而不是消费活动内容来进行学科探索。”其中“开展创造活动”指的是学生完全突破知识范围、学科结构，以问题为导向，开展创造性活动，在创造中自主地学习知识。这种学生自身能通过创造性的活动中去学习和生产知识、而不是只学习已有的知识的方法，将促进新的教育模式的产生与发展。STEM教育也正是在这个时期被重新定义，赋予新的意义与教育价值。
在人类文明的发展历程中，科学、工程与技术总是相互促进，互为基础。如果说科学代表的是一种“纯粹的知识”，科学探索的目标就是求真、探究，满足人类对自然世界的好奇；而工程技术则是人类对自然世界的改造，会更加关注实用性和目标性，关注如何创造性地解决实际的问题。科学、工程、技术与数学看似互不相同，实则却紧密联系。如今，STEM教育已经成为各国炙手可热的话题。世界各国的教育工作者、教育政策制定者、乃至科技工作者、社会各界都在关注如何通过STEM教育培养适合社会发展需求的创新人才。可是，STEM教育的内涵是什么？它改变的到底又是什么呢？
这本书所诠释的，也正是我所赞同的STEM教育。它是基于项目的学习，是将科学探究和工程设计相结合的过程，是跨学科的学习，是积极的学习，是合作的学习，是把抽象知识和学生的真实生活整合起来，进而解决实际问题的学习过程；它是工程技术引领下的知识生产模式。开展STEM教育，不是为了让学生学习STEM考试更好，而是培养新模式下的知识生产者，即学生从知识的消费者变为知识的创造者。
国家竞争力的本质是创造力的竞争。通过STEM教育提升学生的创造力要从三个关键词入手：一是“专精”，让学生能够熟练学科领域，以提出好的问题；二是“融合”，让学生能够明了学科与学科之间的关系，以形成类比思维；三是“协作”，让学生能够在共同体中进行头脑风暴，相互扶持，迸出火花。实际上，在这三个关键词的背后还隐藏着另一个关键词——实践，只有在真实的创造实践中才能使学生真正掌握类比思维、问题意识、实践安排和同侪合作。一句话：创新能力需要在创造实践中才有可能较快提升。
可见跨学科、实践、创造是STEM教育的核心。只有通过科学、工程、技术和数学相结合的方式才能实现。《穿越时空的工程师之简单机械》这本书中以工程技术为线索，通过三个难度逐渐递增的任务巧妙地将工程技术中的简单机械与其科学原理，以及生活实践与运用整合在一起。每个任务都有详细的工程任务要求和测试方法，为学习者提供从分析问题，到探索未知，再到解决问题的学习路径，让其经历科学探究和工程实践融合的学习过程；同时该书为指导者提供完成任务的参考方法、解决问题的指导建议、以及活动评价表，使无论是家长还是教师都能够更好地辅助学生。更值得一提的是，如果只是一本书，相信很难促成真正的实践过程的发生。因此，与书配套的材料、工具和学习指导资源则更为宝贵，它们有效地提供了对学生实践过程的促进与帮助。
本套书的研发团队是我非常熟悉的、来自于东南大学科学教育团队的老师们。他们不仅在STEM教育理念方面有坚实的基础，而且长期从事“做中学”科学教育改革实验项目的经历使他们有着丰富的科学教育实践经验。青少年是祖国的希望与未来，少年强则国强。提高青少年的STEM素养不仅是提升国家创新能力的重要途径，也是实现中华民族伟大复兴的关键所在，更是我们科技教育工作者的责任与期许，相信本套书的问世将为我国STEM教育的发展打下坚实的基础，将更有助于我国科技教育事业的长足进步。
如何使用这本书？
在生活和工作中，有许多使用方便的工具，它们就在你的身边，可是你知道它们的工作原理吗？这本书，就是通过一个有趣的故事，带着你去了解简单机械的工作原理，让你去设身处地想一想，如果你在生活中遇到了相似的问题，你可以用什么样的方式去解决。
来吧，无论是大人还是孩子，跟着我们书中的主人公，一起进入STEM的学习空间！
本书的主角们
穿越时空后的主角们
学习地图
这是一张独特的地图，它将告诉你会经历哪些学习内容。仔细读一读，希望每次活动结束后你能再次回顾这张地图，会对你帮助很大哦！1开始！一场奇幻之旅“铃——”悦耳的下课铃声在走廊上回荡，成贤小学放学的时间到了。“哐——”五年级（1）班的教室门被猛地从里面拉开。接着，一群孩子潮水一般涌了出去，笑声、叫声响彻走廊。随着孩子们的脚步声远去，五（1）班的教室一下子显得安静、空旷起来。
讲台上，一位年轻的老师有条不紊地收拾着电脑、讲义和实验用具。他一边收拾，一边轻笑着摇头：“这群孩子啊，光讲理论知识，还真吸引不了他们了。下堂课，得给他们一点刺激的。”他一边想着一边抬头看。咦，安静的教室角落里，竟然还有两颗毛茸茸的小脑袋。这是……
他一边想着，一边向角落里走去。“咳、咳。”年轻的老师今天刚带这个班，还有点叫不出学生的名字，他只好尴尬地咳嗽两声，好引起两个孩子的注意。“你们在干什么？怎么放学了还不走呢？”他尽量用轻柔的语气询问。
两颗毛茸茸的脑袋抬了起来，四只晶晶亮的眼睛一起盯着他。“周老师好！”男孩子大声叫。“我们正在看你刚才讲的简单机械，不过，我们不太看得懂！”“叶聪，周老师今天第一天来上课，他肯定还不知道我们的名字呢！”一旁的女孩小声提醒着。“哈哈。”年轻老师情不自禁地乐了，“是啊，两个小鬼头，你们真机灵。那就让我们先互相认识一下吧。”“本人周真，成贤小学的科学老师。这几周，老师主要给你们讲简单机械。”说完，他郑重地跟两个孩子一一握手。
受到成人礼遇的两个孩子不禁得意起来。“我叫叶聪，我最爱学科学。”“我叫李美美，我最爱学数学。”“老师，你虽然不知道我们，可是我们知道你。我们校长上学期就跟我们说了，有一位中科院的博士，到我们学校来教我们课本上学不到的知识。老师，校长说的就是你吧。”“哇，现在的小孩子可真厉害，老师的信息都知道得一清二楚。”周老师心里感叹了一下，赶紧打起精神对两个孩子说：“谢谢你们对老师这么关注。没错，老师本来是在中科院做研究工作的，不过，老师觉得，我们大人光埋头研究是不行的，还得让更多的人知道科学的价值，特别是要让你们这样大的孩子知道。”“科学的价值？好深奥！老师，你刚才讲的知识，我们都不太明白，你能跟我们再讲讲吗？”叶聪困惑地问道。“哦，你们不明白什么呢？”“你刚才讲的水井是什么？辘轳又是什么？我只在书上见过，实物从来没见过。”李美美小声嘀咕。“对呀，我怎么没想到。现在的孩子没有这方面的生活经验啊，难怪他们刚才在课堂上没什么反应。”周真心里想。他摸摸下巴，说：“如果你们真对机械感兴趣的话，我就先带你们去我的实验室看看吧。”“哇！太好了！”两个孩子欢叫着，跟着周真老师向实验室走去。
周真老师的实验室到底有什么“秘密武器”呢？
推开实验室的门，叶聪和李美美完全惊呆了。几十台电脑正在工作，巨大的机柜里，只见一排排的红灯绿灯交替闪烁，电脑的主机发出阵阵轰鸣声。墙上挂着巨大的屏幕，屏幕前摆着一排古怪的椅子，每把椅子的扶手上，还挂着一个巨大的像眼罩一样的东西。“VR眼镜！”叶聪兴奋地叫了起来，他扑上去，想伸手摸摸眼镜那流畅的线条。“可以试试吗？”李美美也想去摸一下，不过，女孩子的矜持和礼貌让她按捺住兴奋，先问了周老师一声。“嗯，就是带你们来试试的。”周真一边说，一边拿起眼镜，帮着两个孩子调试。“你们刚才提醒了我。我上课的时候光顾着讲知识，却忘记了，我讲的那些简单机械离你们的生活有点远。辘轳这些东西是以前的人经常用的，你们见都没见过，又怎么知道它们的科学原理呢？”“我有一个师弟，叫杨元子，他啊，开发了最新的虚拟现实软件，你们可以身临其境地去体会一番。你们现在啊，就想象自己是准备到古代去的现代工程师。你们去看看，那时候的人生活中会遇到一些什么问题，而你们能不能用学到的知识帮助那里的人解决问题。”“好酷！”叶聪听完周老师的话，赶紧拿起一副VR眼镜就往头上戴。“老师，我又想又有点怕！”美美有点犹豫了。“别担心！”周老师给两个孩子鼓劲儿，“你们跟着杨元子，一起来场时空之旅，看看自己能学到什么吧。”说完，周老师“啪”的一声打了一个响指，灯光暗了下来，墙上巨大的屏幕慢慢发出柔和的亮光。两个孩子跟着戴上了VR眼镜。“Are you ready ？”周老师问。“Go！”两个孩子异口同声地回答道。2任务A 水井辘轳
一片黑暗中，叶聪和李美美睁开了眼睛。
他们发现，他们已经换上了秦朝的衣服，站在一处村庄的外面。“哇，美美！你看呢，我们是不是在拍电影。”叶聪一边拉着自己的衣服，一边兴奋地大叫。“我有点怕。我想妈妈。”李美美看着完全陌生的环境，忍不住紧紧抓住了叶聪的手。“没事的。我觉得我们是坐飞船来到这里的。”叶聪乐滋滋地说。他拉着美美的手，向着村庄走去。“反正都来了，就去看看吧。”
还没走多远，突然，一个身穿白衣的帅哥翩翩走来，他的脸上带着热情的微笑。“嗨，叶聪，李美美，你们好！欢迎来到秦朝。”帅哥说完，伸出右手，弯腰做了一个请的动作。“你，你是不是杨元子啊！”叶聪呆呆地问。“正是在下。”杨元子笑着对他们说，“你们来得正好，前面村子里的村民遇到了难题。我带你们一起过去看看吧！”
走着走着他们来到了村口，看见一群人在围着一口水井发愁。
叶聪好奇地问道：“你们这是怎么了？遇到什么难题了吗？”
一位村民叹口气说道：“这口井是我们村里最好的水井。井很深，水甘甜可口。我们每次都是用绳子系着水桶放下去打水，可费劲了。”
很多村民都附和着说：“是啊！是啊！怎么才能又快又省劲地打水呢？”分析问题
要完成怎样的任务？
设计一个可以帮助人们打水省力的工具。
帮助人们把深井里的水打上来。
要完成这个任务，先想一想下面这些问题：
1.人们是怎样把水井里的水打上来的？
2.我们见过哪些打水的工具？
3.我们知道哪些方法可以省力？
4.这些方法可以用来解决打水的问题吗？
和你的小伙伴一起，帮叶聪想一想，把你们的想法记录下来。
想一想，还有哪些需要思考的问题？
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想一想，完成任务的方法可以是：
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温馨提醒：
问题能促进思考，找出完成任务的方法，这对我们很重要。或许现在你还不能回答这些问题，没有关系，不要着急！在后面的学习中你会逐步找到这些问题的答案。记住，一定要在学习的过程中始终想着如何解决这些问题。探索未知
为了完成水井提水的任务，让我们和叶聪他们一起来学习：初识简单机械
讨论
■生活中你都用过哪些工具？
■这些工具能帮助你做什么？
记录
观察
下面这些场景中人们用到了哪些工具？
你知道它们的名字吗？
你能说一说它们的作用吗？
阅读
人们每天都在使用机械，其中有些比较简单，像剪刀、开瓶器等；而有些则比较复杂，如自行车、汽车等。那什么是机械呢？机械就是可以通过改变力的大小或方向，使各项工作降低难度或变得更加轻松的工具。
对大多数机械而言，不管它们多么复杂，都是由六种简单机械中的一种或多种组合而成。这六种简单机械分别是：杠杆、斜面、劈（楔）、螺旋、滑轮和轮轴。这下你能知道左面的场景中人们都使用了哪种工具了吧！各种各样的辘轳
观察
和你的同伴一起，仔细观察常用的削笔器和水龙头，说一说这两个工具的使用方法和作用。
动手做
1.不用削笔器的摇柄，直接旋转中间的轴，尝试转动刨笔刀。
2.不碰水龙头上面的手柄，直接旋转下面的轴，尝试打开水龙头。
思考
■不用削笔器的摇柄，能转动刨笔刀吗？想一想，摇柄的作用是什么？
■不用水龙头上的手柄，能打开水龙头吗？想一想，手柄的作用是什么？
■为什么它们能起到这样的作用呢？
■想一想，它们有什么共同之处？
阅读
轮轴是一种简单机械，它由一个轮子和与这个轮子一起旋转的轴组成，如水龙头开关、螺丝刀、方向盘等，轮轴能使工作变得更轻松。
用轮轴可以做成工具帮助人们从水井里打水。图中这样的工具被称为辘轳（lù lu）。
想一想，这两幅图中的辘轳由哪几部分组成？人们应该在哪里施力？水是怎么被提上来的？
早在公元前一千多年，汉族劳动人民就发明了辘轳。它由支架、辘轳头、手柄、井绳、水桶等部分构成。井上竖立支架，上面安装可用手柄摇转的轴，轴上再安装辘轳头，辘轳头上绕绳索，绳索一端系水桶。摇转手柄使水桶起落，提取井水。辘轳的制造和应用，在古代是和农业的发展紧密结合的，它广泛地应用在农业灌溉上。辘轳在我国的应用时间较长，虽经改进，但大体保持了原形。如今在北方一些地区，人们仍在使用辘轳从深井中提水。探索轮轴
探究问题
轮轴的省力大小与轮的大小有怎样的关系？
材料
轮轴实验器、绳子、钩码
实验
在轮轴实验器的轴上挂上钩码。试一试，在大、中、小不同轮子上各挂上几个钩码，能平衡轴上挂的重量？通过实验你发现了什么？
预测
关于轮轴的省力大小与轮的大小的关系，我认为：
_____________________________★ 记录与结果 ★
我们发现：____________________
实验结论
将实验的结果与你的预测比一比，你能得出什么结论？
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运用
你能找到下图里的轮轴吗？
说说哪一部分是轮，哪一部分是轴。
阅读
在轮轴中，动力与阻力的大小比值，取决于轮和轴的半径大小。当轴的半径和阻力一定时，轮的半径越大，动力就会越小，也就是越省力。当你开门时，作用在门把手（轮）上较小的力，会变成轴上较大的力，从而拉动锁舌。当然，轮的半径比轴大时，轮转动的幅度也会比轴大。轴转动一小圈，轮要转一大圈，这也可以算作是轮轴省力的代价。
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]