STEM Scouts Curriculum

童子軍STEM課程

STEM是一個基于四個特定學科 - 科學、技術、工程和數學 – 用跨學科和應用的方法教育學生的課程。 STEM不是將四個學科作為割裂的科目單獨進行教授，而是將這四門學科整合在一起用于教學。

童子軍的STEM 課程旨在通過向孩子們提出問題或挑戰，然后讓他們自己想辦法處理，通過這個思考的過程得到進步。通過參加STEM 課程，孩子們將接觸到STEM的各種學科，同時學習如何像一個STEM的專業人士一樣思考和行動。為了做到這一點，我們使用以問題為導向的教學方法，使孩子們學習到STEM的科學方法和體驗STEM 的工程設計過程。

童子軍的STEM 科學方法將向孩子們展示，一個科學家是如何解決一個特定的問題的，包括以下步驟：

1.提出問題

2.做背景研究

3.提出假設，識別變量

4.設計實驗，建立步驟

5.進行實驗

6.分析結果，得出結論

7.溝通結果

因為孩子們要自己引導自己進行實驗，所以他們最終得到的實驗結果可能 不是很理想。 然而，這是很重要的一環，讓他們犯錯，然后鼓勵他們思考出了什么岔子，以及下次他們可以如何做的不同。

我們在這里列舉一些教學課題或實例，根據實際情況，這些例舉的課題可能或可能不會在2017年IAP巔峰夏令營中學習到。所舉實例僅是STEM課程的一小部分。

#1 風能

風能包括對風力的治理，就像人們幾百年來用泵抽水或磨碎谷物一樣。 今天一個風力渦輪機就可以利用風能來發電。 風力渦輪機安裝在塔上，通常離地面約30米或更高以便利用更快、更集中的風力，并且因此捕獲最多的能量。 當風吹動時，在每個葉片的下風側形成一個低壓空氣區。 然后，低壓氣將葉片拉向其（或者，從另一方面來看，上風側的高壓空氣將葉片推向下風側），導致轉子轉動。這稱為提升力，類似于作用在飛機機翼上的力。 實際上，提升力比風作用在葉片的前側的力（即阻力）更強。 兩個力共同作用，導致轉子旋轉，然后轉軸旋轉發電機以發電。

本篇，我們主要關注流體（如水和空氣）的組成和性質，以及這些特性與太陽能結合如何產生風。 然后我們研究（1）風力，（2）世界各地的風的存在，和（3）旨將風能轉化為電能的風力渦輪機的效率。

模型：熱氣球

熱氣球是一個使用風能的很好的例子。

熱空氣比冷空氣密度小。 熱度加速空氣分子的運動，導致較少的分子占據與在較低溫度下較多分子相同的空間。 使用較少的分子，熱空氣具有較小的質量，因此比等體積的較冷空氣更具有浮力。熱氣球使用這些原理來產生可以通過空氣推進或被風推動的攜帶人類的氣球飛行器。

實驗：如何制作一個熱氣球

#2 生物能

生物質是來自活的或最近活的有機體的生物材料。 生物質可以由諸如木材、廢物、玉米或甘蔗等材料組成，并且可以轉化為不同的材料以提供可再生能源。生物質是碳、氫和氧基的。 所有生物都包含這些元素。 為了了解生物質，我們必須了解碳循環，這是受生物質能源使用影響的關鍵的一個生物地球化學循環。

本篇我們將關注碳循環和由于二氧化碳增加而導致的氣候變化。 然后我們調查各種生物質技術應用。 本篇的目標是了解生物質不僅可以通過燃燒釋放能量，而且還可以轉化為其他可用形式的能量，如甲烷氣體或汽車燃料。

模型：碳循環

研究碳循環，桌面游戲

在這個游戲中，我們將向孩子們介紹碳循環的復雜性。 在游戲結束時，孩子們應該明白，碳可以在整個碳循環中呈現出許多形式，并且循環中沒有設定的路徑。

#3 現代遺傳學 – DNA篇

DNA是包含構建細胞并保持其活性所需的所有說明的材料。本篇將向孩子們介紹5個章節，即什么是DNA、DNA是什么樣子、什么是DNA結構、DNA做什么和DNA如何確定性狀。

模型：提取DNA

在這個練習中，我們將利用DNA分子長而細的“線狀”的特性來“纏繞”他們，也就是說，我們將它們纏在一根木棍上，像一根線。你可能知道，棉纖維（單獨一根只有幾英寸長并且很?。┛梢越M合成一根長且連續的線，因為它們傾向于彼此粘在一起并排排列。當DNA分子從溶液中提取出來時，同樣的事情也可能會發生 - 如果我們從一端開始的話。我們在DNA開始沉淀的區域中通過緩慢扭動一根木棍來實現。最初被捕獲并纏繞在木棍上的每個DNA分子將捕獲并拉動幾個其他分子，被捕獲的分子然后捕獲和拉動其他分子。因此，如果我們仔細地工作，我們可以將所有的DNA分子在試管中纏繞成一個長的、連續的線。雖然DNA分子是如此之薄，以至于你不能用肉眼看到它們之一，如果你把許多這樣的分子結合在一起（如在本練習中），DNA變得可見，并且可以研究它的性質。

＃4太陽能

日光是由太陽發出的電磁輻射的總波長（或頻率）光譜。 日光包括可見光譜的所有顏色以及紫外線和輻射熱。 在地球上，日光通過地球的大氣層時被過濾，成為陽光。日光是光合作用的關鍵因素，對地球上的生命至關重要。 我們可以使用光學儀器來顯示從太陽發射的各種波長的光的相對強度。 確定光的質量是特別重要的，因為我們知道光合作用的過程在某些波長（光的顏色）下更有效。因為在陸地和海洋上的光合作用產生了人類當前組合能量需求的八倍，所以最大限度地提高其作為可再生能源的效率是至關重要的?，F在，我們已經對太陽能進行了有效的利用，但我們可以學會如何在未來更有效地使用它。

電磁譜是所有類型的電磁輻射的范圍。 輻射是一種能量，隨著它的前進而傳播 - 從房間的燈發出的可見光和來自無線電臺的無線電波是兩種類型的電磁輻射。構成電磁譜的其它類型的輻射是微波、紅外光、紫外光、X射線和γ射線。

光譜學是物質和輻射能之間相互作用的研究。 光譜學起源于可見光通過三棱鏡會根據其光波波長的不同而被分解的研究。 光譜學后來擴展到對其他形式的電磁輻射的研究。光譜數據通常由光譜表示，數據作為波長或頻率的函數的曲線圖。

我們將使用光譜學來研究不同光源的質量，探索光能被不同物體（包括植物）傳輸和吸收的方式，并根據電磁輻射頻率分析得出光源的能量效率。具體實驗細節由于篇幅限制，此處不詳述，咱們課堂上見分曉。

#5 火星探索 - 設計一個火星任務

好奇工程師如何設計火星任務？ 在這個有趣的、互動模擬單元，孩子們將體驗工程設計過程的基本原理，深入現場，用批判性思維真實還原這一過程。使用協作和解決問題的技能，孩子們將設計一個滿足約束（預算、質量、權力）和標準（重大科學回報）的任務。 這項活動可以在技術教育中引入許多活動，包括機器人和火箭。

這個工程周期圖是工程任務中實際發生的簡化版本。 實際的過程是更反復的，當搜集到新信息時，通常從循環圖的較后的步驟循環回到較早的步驟。

與你的小組成員合作，討論你的火星使命，并確定你在工程設計周期的每個部分參與的位置。 在工程周期示意圖的適當位置，寫出團隊參與的事件、問題、需求、解決方案、測試等。如果你的團隊需要在任務計劃期間返回（迭代）測試新的解決方案，則在步驟之間標上箭頭。 循環中每個步驟旁邊應該至少有一個示例。

#6 工程實驗 – 水火箭

水火箭是一種使用水作為其反應質量的模型火箭。 這種火箭通常由用過的塑料軟飲料瓶制成。 水被加壓氣體（通常是壓縮空氣）排出。像所有火箭發動機一樣，它是牛頓第三定律的原則的體現。

需要的原材料：

1只2升的塑料瓶

一個葡萄酒軟木塞，適合緊緊地放入瓶口

自行車內胎的閥門 - 閥門越長越好

適合閥門的手動或腳踏泵

一些東西可以放置塑料瓶，使瓶頸與地面成一定角度 – 例如花園叉

自來水

怎么做：

在軟木塞上鉆一個孔，然后將閥門穿過小孔。 孔的大小應該跟閥門吻合。

準備你的“啟動裝置”。 一個好的方法是在地面低平處放置一個花園叉，用以支撐塑料瓶。

將塑料瓶灌水至1/4處。 用軟木塞和閥門密封瓶子。

注意，實驗的場地必須空曠。

將瓶子放入“啟動裝置”。

將閥連接到氣泵，并開始輕輕穩定地泵送空氣。

持續的給空氣，直到軟木塞彈出，你的水火箭就一飛沖天啦！