Nội dung và phương pháp của MWM tích hợp liền mạch ba khía cạnh – Thực tiễn, Yếu tố xuyên suốt và Nội dung – được nêu trong NGSS , với trọng tâm là Thiết kế Kỹ thuật. (Nhấp vào 3 tab bên dưới để xem các ví dụ về cách các mô-đun MWM đáp ứng từng khía cạnh trong 3 tiêu chí của Tiêu chuẩn Khoa học Thế hệ Tiếp theo.)
Thứ nguyên 1: Thực hành Khoa học và Kỹ thuật
Thứ nguyên 1: Thực tiễn NGSS |
| 1. A) Đặt câu hỏi (khoa học) B) xác định vấn đề (kỹ thuật) |
| 2. Phát triển và sử dụng các mô hình |
| 3. Lập kế hoạch và thực hiện điều tra |
| 4. Phân tích và giải thích dữ liệu |
| 5. Sử dụng toán học và tư duy tính toán |
| 6. A) Giải thích xây dựng (cho khoa học) và B) thiết kế giải pháp (cho kỹ thuật) |
| 7. Tham gia vào lập luận từ bằng chứng |
| 8. Thu thập, đánh giá và truyền đạt thông tin |
Các tiêu chuẩn mới yêu cầu thực hành thực hành nhiều hơn – một thứ tự cao khi các chương trình giảng dạy đã quá đông đúc! Phương pháp nghiên cứu và thiết kế của MWM đồng thời phát triển tất cả tám phương pháp thực hành khoa học và kỹ thuật được nêu trong các tiêu chuẩn (bên phải), làm cho nó trở thành một cách nhanh chóng và linh hoạt để kết hợp các thực hành khoa học và kỹ thuật thực hành vào chương trình giảng dạy của bạn!
Ví dụ: mô-đun “ Thao tác với ánh sáng trong Nanoworld ” nhắc học sinh đặt câu hỏi về cách các photon tương tác với vật chất (Bài thực hành 1A) và hành vi này có thể được sử dụng như thế nào để cải thiện quá trình xử lý tín hiệu (thông tin) và các ứng dụng khác (Bài tập 1B) . Học sinh làm một máy quang phổ CD-ROM và sử dụng mô phỏng trực tuyến (bên trái) để nghiên cứu hành vi của các nguồn sáng khác nhau khi tương tác với vật chất có cấu trúc (Thực hành 2 & 3) . Họ làm việc theo nhóm để thu thập, phân tích và diễn giải dữ liệu (Thực hành 4 & 5) để giải thích sự tán xạ, nhiễu xạ và phản xạ của ánh sáng (Thực hành 6A, 7 và 8). Sau đó, họ thiết kế một tinh thể quang tử để giải quyết vấn đề phản xạ và truyền ánh sáng có bước sóng cụ thể (Thực hành 6B) , sử dụng mô phỏng trực tuyến (Thực hành 2) để thay đổi cấu trúc của tinh thể quang tử, bước sóng và góc tới để tối ưu hóa hiệu suất của nó (Thực hành 4, 5, 7, 8) . Sau khi thực hiện các thử nghiệm và thực hiện các cải tiến (Thực hành 6B) , họ thuyết trình mô tả thiết kế của họ và các khái niệm cơ bản liên quan (Thực hành 8) .
Thứ nguyên 2: Khái niệm cắt ngang
Thứ nguyên 2: Khái niệm cắt ngang |
|
| Khái niệm cắt ngang | Mô-đun MWM |
| 1. Các mẫu | Tất cả các mô-đun |
| 2. Nguyên nhân & Kết quả | Tất cả các mô-đun |
| 3. Quy mô, Tỷ lệ và Số lượng | Tất cả các Mô-đun, đặc biệt. các mô-đun Nano |
| 4. Hệ thống và Mô hình Hệ thống | Pin mặt trời, Bao bì thực phẩm, Vật liệu thể thao |
| 5. Năng lượng và Vật chất | Tế bào năng lượng mặt trời, Thao tác với ánh sáng, Xúc tác môi trường |
| 6. Cấu trúc & Chức năng | Tất cả các mô-đun |
| 7. Ổn định và Thay đổi | Vật liệu phân hủy sinh học, Cảm biến sinh học |
Các tiêu chuẩn mới quy định một kiểu liên ngành mới – một kiểu chuẩn bị cho sinh viên tổng hợp các khái niệm STEM và áp dụng chúng vào các tình huống khác nhau. MWM là lý tưởng để dạy STEM theo cách tích hợp này!
Kể từ năm 1993, MWM đã cung cấp cho học sinh trải nghiệm học tập STEM tích hợp :
- chứng minh cách các bộ môn STEM có liên quan với nhau;
- áp dụng các khái niệm STEM xuyên suốt cho các hiện tượng tự nhiên và các thách thức toàn cầu; và
- sử dụng các kỹ năng toán học để giải quyết các vấn đề khoa học và kỹ thuật.
Bởi vì các chủ đề mô-đun của chúng tôi đến từ lĩnh vực khoa học và kỹ thuật vật liệu vốn có, chúng giải quyết một cách tự nhiên tất cả các khái niệm cắt ngang được nêu trong các tiêu chuẩn cốt lõi mới (bên phải).
Nội dung 3: Ý tưởng cốt lõi về kỷ luật
Các chủ đề của MWM có liên quan nhiều đến xã hội và thế giới tự nhiên. Do đó, chúng giải quyết hầu hết các ý tưởng cốt lõi về kỷ luật được nêu trong NGSS – bao gồm các ý tưởng từ:
- Khoa học vật lý (PS)
- Khoa học Đời sống (LS)
- Khoa học Trái đất và Không gian (ESS)
- Kỹ thuật, Công nghệ và Ứng dụng Khoa học (ETS)
MWM dạy những ý tưởng cốt lõi này thông qua thực hành thay vì học vẹt, trong khuôn khổ của một vấn đề kỹ thuật và một thách thức thiết kế. Ví dụ:
Trong mô-đun “ Polyme ”, sinh viên biết rằng các cấu trúc hóa học khác nhau của polyetylen mang lại các đặc tính khác nhau cho một chất dạng khối, bao gồm độ bền, độ nhớt và độ hấp thụ (PS1-3) và áp dụng kiến thức này vào việc thiết kế cảm biến độ ẩm, hoặc sản phẩm polyme mới.
Mô-đun “ Thao tác ánh sáng trong Nanoworld ” và “ Công nghệ nano ” thảo luận về việc sử dụng quang phổ ánh sáng – bao gồm phản xạ, khúc xạ và tán xạ ánh sáng (PS4) – sử dụng mô phỏng và thí nghiệm thực hành. Những khái niệm này rất cần thiết để khám phá trong thiên văn học và khoa học địa lý.
Trong học phần ” Đóng gói Thực phẩm “, sinh viên phải tối ưu hóa việc đóng gói để để lại tác động tối thiểu đến môi trường (ESS3-4) , đồng thời đảm bảo rằng thực phẩm được an toàn để tiêu dùng. Các ” Xúc tác môi trường ” địa chỉ module tác động của con người vào thời tiết, chu kỳ cuộc sống, và biến đổi khí hậu (ESS3) .
Trong mô-đun ” Cảm biến sinh học “, sinh viên học về sự phát quang sinh học và phải xem xét những lợi thế mà nó có thể mang lại cho một sinh vật (LS1-4) . Các ” Dye-Mẫm Cảm Pin mặt trời ” sử dụng mô-đun nguyên tắc của quang hợp (LS1-6) để thảo luận và thiết kế một thiết bị chuyển năng lượng từ mặt trời để điện ( PS3-3 , bên phải).
Tập trung vào Thiết kế Kỹ thuật
Được tạo ra bởi các giáo viên và kỹ sư chuyên nghiệp, MWM là sự phù hợp tự nhiên cho các tiêu chuẩn mới trong Thiết kế Kỹ thuật (ETS1) và liên kết giữa Kỹ thuật, Công nghệ, Khoa học và Xã hội (ETS2) .
Quy trình thiết kế kỹ thuật: Các mô-đun sử dụng cùng một quy trình thiết kế kỹ thuật được quy định bởi NGSS (bên phải.) Sinh viên phải xác định một vấn đề kỹ thuật và thiết kế một giải pháp sáng tạo cho vấn đề đó, sử dụng kết quả nghiên cứu của riêng họ để xác định các mâu thuẫn và đánh giá các giải pháp khả thi. Nhưng quá trình này không dừng lại ở đó – sinh viên cũng phải kiểm tra thiết kế của họ và tối ưu hóa nó thông qua một quá trình lặp đi lặp lại bằng cách trả lời các câu hỏi như:
- Những khía cạnh nào của thiết kế đã hoạt động?
- Vật liệu nào là “liên kết yếu” và bạn có thể giảm thiểu điểm yếu đó như thế nào?
- Có lý do gì khi cải tiến hơn nữa cho một khía cạnh của sản phẩm không còn mang lại lợi ích cho toàn bộ?
Sự phụ thuộc lẫn nhau của Khoa học, Kỹ thuật và Công nghệ: Bằng cách tham gia vào toàn bộ quá trình phát triển công nghệ – từ khám phá khoa học đến thiết kế nguyên mẫu – sinh viên trực tiếp học cách đặt câu hỏi đúng, thực hiện chính xác các thí nghiệm và phân tích dữ liệu cẩn thận có thể giúp họ có quan điểm cần thiết để giải quyết các vấn đề kỹ thuật !
Dưới đây là một ví dụ về cách MWM đáp ứng các tiêu chuẩn NGSS mới trong Thiết kế Kỹ thuật:
MWM và Thiết kế Kỹ thuật |
Ví dụ từ Mô-đun pin mặt trời nhạy cảm với thuốc nhuộm (DSSC) |
| Mỗi mô-đun có một số tùy chọn dự án thiết kế. Làm việc theo nhóm, sinh viên đưa ra thiết kế của riêng họ về một sản phẩm hoặc một quy trình với một tập hợp các ràng buộc và tiêu chí nhất định , chẳng hạn như chi phí, tiện ích, an toàn và / hoặc thời gian để sản xuất. Mỗi mô-đun cũng có ít nhất một dự án thiết kế yêu cầu nhóm thiết kế đáp ứng các thông số kỹ thuật đã cho. Mỗi mô-đun và dự án thiết kế có liên quan đến nhu cầu xã hội và / hoặc giải quyết một vấn đề toàn cầu liên quan đến sức khỏe, năng lượng, an ninh hoặc môi trường . MS / HS ETS1-1 | Mô-đun này yêu cầu sinh viên thiết kế một pin mặt trời có phổ hấp thụ cực đại bằng cách sử dụng thuốc nhuộm và chất màu tự nhiên thu được từ những thứ như quả mọng hoặc lá cây. Một số thành phần phải được tối ưu hóa, trước tiên là riêng lẻ, sau đó là một nhóm, để tạo DSSC hiệu quả nhất:
|
| Hầu hết các mô-đun, đặc biệt là những mô-đun liên quan đến công nghệ nano, yêu cầu sinh viên cân nhắc lựa chọn từng thành phần và bộ phận sẽ được sử dụng trong hệ thống (tức là sản phẩm cuối cùng). MS / HS ETS1-2 | Trước khi chế tạo pin mặt trời của riêng mình, học sinh thực hiện các thí nghiệm sắc ký để xác định các sắc tố trong lá rau bina và tìm hiểu về quang phổ ánh sáng được hấp thụ bởi từng sắc tố để xác định sắc tố nào cho các loại ánh sáng khác nhau. Họ cũng học cách đánh giá giới hạn của thiết bị bằng cách đo điện trở bên trong của pin mặt trời. |
| Sau khi sản phẩm được phát triển, sinh viên thực hiện các phép đo để xem họ đã đi đến giải pháp tối ưu cho thiết kế của họ đến mức nào, trong phạm vi các ràng buộc nhất định. Sinh viên được yêu cầu cải thiện các mô hình thiết kế của họ và so sánh các mô hình của các nhóm khác để áp dụng các thành phần từ một số mô hình khác nhau để có được thiết kế cuối cùng tổng thể. MS / HS ETS1-3 | Sau dự án thiết kế, sinh viên được yêu cầu trình bày dự án của họ trước lớp, sử dụng dữ liệu để hỗ trợ các tuyên bố của họ và đánh giá phần nào của thiết kế thành công nhất và kém thành công nhất.
Sau đó, các lớp có tùy chọn so sánh nhiều thiết kế pin mặt trời để đánh giá hiệu quả của chúng và chọn các thành phần có thể hoạt động tối ưu cùng nhau. |
| Với mô phỏng và mô hình hóa sâu hơn , sinh viên thực hiện một quá trình thiết kế lặp đi lặp lại. MS / HS ETS1-4 | Học sinh có thể sử dụng một mô phỏng để giúp họ hiểu mối quan hệ giữa các phân tử thuốc nhuộm khác nhau và quang phổ hấp thụ của chúng. Mô phỏng cũng bổ sung yếu tố chi phí để khuyến khích sinh viên xem xét tính thực tế của việc thực hiện thiết kế của họ. |