职业准备从高中开始：美国高中工程学科STEM项目（9 - 12 年级）

AI STEM+ROBOT

2025年2月22 日（蛇年正月廿五日）

美国PLTW高中工程STEM课程体系，旨在为学生未来的工程职业生涯做好充分准备。该体系包含十门精心设计的课程，通过跨学科的实践活动，如与客户合作设计住宅、编程电子设备或机器人手臂，以及探索藻类生物燃料等前沿项目，激发学生的工程潜能。

这些课程不仅重视理论知识的传授，更强调动手实践和解决问题的能力培养。学生们将熟练运用3D建模软件、微控制器编程、GIS地理信息系统、Python编程、数据采集软件和生物实验室技术等先进的编程和技术工具，积极参与到产品设计开发、机械设计农业应用、航空航天组件设计、土木建筑设计、计算机集成制造、数字电路设计和环境可持续性设计等一系列富有挑战性的STEM项目中。

以下是对这十门课程的详细介绍：

课程1、工程基础

通过产品设计、机械运动系统设计、电子设备设计和城市规划等多元化的实践项目，学生将掌握3D建模软件、微控制器编程和GIS地理信息系统等核心技术。

课程2、工程导论

参与产品设计开发、机械设计农业应用、机器人编程、能源系统设计和可持续基础设施设计等项目，学生将熟练运用3D建模、微控制器编程和GIS系统等技术。

课程3、工程原理

通过产品设计开发、机械设计、机器人应用、能源项目和可持续基础设施设计等项目，学生将熟练运用3D建模软件、微控制器编程和GIS地理信息系统等技术，并提升设计流程、实验设计、CAD/GIS技能和项目管理等综合能力。

课程4、航空航天工程

通过设计测试飞行组件、软件建模和模拟行星探索等项目，学生将掌握飞行模拟器、CAD建模和机器人编程等技术，并提升飞机重量计算、轨道能量计算和自主系统开发等专业技能。

课程5、土木工程与建筑

通过住宅设计、电气图绘制、商业设施改造和场地测量分析等项目，学生将熟练运用3D建筑设计软件、结构分析工具和项目管理软件等技术。

课程6、计算机集成制造

通过CAD零件设计、CAM代码生成、CNC铣床操作和机器人程序创建等项目，学生将掌握G&M代码编程、机器人编程软件和CAD/CAM软件等技术。

课程7、计算机科学原理

通过程序设计、Python数据分析和数字艺术创作等项目，学生将掌握Python3、Trikets、Microsoft Visual Studio Code、Google Sheets、Vernier GA4和Netlogo等技术。

课程8、数字电子

通过电路设计与构建、FPGA电路设计、七段显示器电路设计和计数器电路创建等项目，学生将掌握Python编程、FPGA和逻辑电路板等技术。

课程9、环境可持续性

通过水处理系统设计、基因工程植物培育和水质测试等项目，学生将掌握数据采集软件和生物实验室技术等技术。

课程10、PLTW 毕业设计

学生将综合运用所学知识，设计和构建一个综合性的工程STEM项目，全面检验工程学科的实战能力。

总之，PLTW工程STEM课程体系采用以问题为导向的学习方式，鼓励学生积极参与到引人入胜的现实挑战中，旨在培养学生成为优秀的合作者、创新思考者和具备未来职业竞争力的工程人才。

课程1、工程基础

课程总表

课程目标	培养学生对工程领域的兴趣和认知，
知识点	工程学科介绍，包括机械、电气/电子、工业和民用等以及它们之间的交叉和分支。
实操项目	单元1: 倾向于设计 - 工程师和工程介绍 - 系统和工程设计流程 - 产品设计 - 自然灾害救援中心设计单元2: 使其移动 - 机械学 - 机械优势 - 机械系统单元3: 供电 - 能量转换 - 逻辑 - 机电系统单元4: 制定计划 - 城市设计 - 地图作为模型 - 可持续的城市环境 - 更好的地方
时间安排	课程为期一年，包含四个单元：单元1: 倾向于设计单元2: 使其移动单元3: 供电单元4: 制定计划
编程技术	课程中使用的编程技术主要包括：3D建模软件 (用于设计和模拟) - 微控制器编程 (用于电子设备控制) - GIS地理信息系统 (用于城市规划和决策) 除此之外，学生可能还会接触到其他与特定项目相关的编程语言和工具。
能力提升	- 设计流程经验 - 实验设计和测试经验 - CAD和制图经验 - GIS经验 - 系统思考能力 - 项目管理经验 - 建模经验 - 计算和分析能力 - 电子技术经验 - 专业技能(团队协作、同行评审和反馈等)

课程单元表

单元	核心概念	主要项目	编程技术
单元1: 倾向于设计	介绍工程学基础概念，强调设计流程和系统思考。	产品设计、自然灾害救援中心设计。	GIS地理信息系统 (用于分析和规划)。
单元2: 使其移动	侧重于机械工程，如机械原理、机械运动和机械系统设计。	机械运动系统设计，例如设计和测试一个机械装置。	3D建模软件 (用于设计和模拟机械部件)。
单元3: 供电	关注电气和电子工程，包括电路基础、数字逻辑和机电系统。	电子设备设计，例如设计一个简单的电子控制系统。	微控制器编程 (用于控制电子设备)。
单元4: 制定计划	综合应用所学知识，解决城市规划和可持续发展问题。	城市规划项目，例如设计一个更可持续的城市区域。	GIS地理信息系统 (用于城市规划和分析)。

课程2、工程导论

课程总表

课程目标	探索工程领域，学习工程原理和前沿工具，培养解决现实问题的能力，实践工程设计流程。
知识点	工程职业研究，STEM职业，工程技能，多学科解决方案，职业道德，产品设计，材料选择，能源机械，编程电路，流体运动，建模分析。
实操项目	单元0：产品设计开发，单元1：机械设计农业应用，单元2：机器人编程，单元3：能源系统设计，单元4：基础设施可持续设计。
时间安排	课程紧凑，一年四单元，培养工程热情。
编程技术	3D建模，微控制器编程，GIS系统，其他相关工具。
能力提升	设计流程，实验测试，CAD/GIS技能，系统思考，项目管理，建模分析，电子技术，团队协作。

课程单元表

单元	核心概念	主要项目	编程技术
单元0: 产品设计开发	探索工程领域，学习工程原理和前沿工具。	应用建模工具创造新产品，探索职业。	3D建模软件
单元1: 机械设计农业应用	解决机械设计和运动问题。	解决机械设计和运动问题，探索农业问题。	3D建模软件
单元2: 机器人编程	探索机器人和编程。	开发现实世界问题的解决方案。	微控制器编程
单元3: 能源系统设计	探索能源应用。	设计流体动力系统。
单元4: 基础设施可持续设计	设计基础设施和交通。	研究可持续实践。	GIS地理信息系统

课程3、工程原理

课程总表

课程目标	探索工程领域，学习工程原理和前沿工具。培养解决现实世界工程问题的能力。学习工程设计流程和实践通用工程协议。
知识点	工程职业研究和STEM职业。工程所需的教育和技能。多学科解决方案和职业道德。产品设计、技术图纸和建模。材料选择与测试、材料分析和失效测试。能源、机械、编程、电路和流体动力学。运动学、静态学、应力和应变。运输、流速和道路通行能力。建模、材料选择、统计和公差分析。
实操项目	单元0：产品设计和开发导论：应用建模工具创造新产品，探索职业。单元1：机械设计：解决机械设计和运动问题，探索农业问题。单元2：机器人应用：探索机器人和编程，开发现实世界问题的解决方案。单元3：能源行动：探索能源应用，设计流体动力系统。单元4：设计基础设施和发展可持续性：设计基础设施和交通，研究可持续实践。
时间安排	课程节奏紧凑，内容丰富。培养学生对工程的热情和理解。课程为期一年，包含四个单元。
编程技术	3D建模软件、微控制器编程、GIS地理信息系统、其他项目相关编程语言和工具。
能力提升	设计流程、实验设计和测试能力。 CAD和制图、GIS技能。系统思考、项目管理和建模能力。计算和分析、电子技术经验。团队协作、同行评审和反馈等专业技能。

课程单元表

单元	核心概念	主要项目	编程技术
单元0: 产品设计和开发导论	探索工程领域，学习工程原理和前沿工具。	应用建模工具创造新产品，探索职业。	3D建模软件
单元1: 机械设计	解决机械设计和运动问题。	解决机械设计和运动问题，探索农业问题。	3D建模软件
单元2: 机器人应用	探索机器人和编程。	开发现实世界问题的解决方案。	微控制器编程
单元3: 能源行动	探索能源应用。	设计流体动力系统。
单元4: 设计基础设施和发展可持续性	设计基础设施和交通。	研究可持续实践。	GIS地理信息系统

课程4、航空航天工程

课程总表

课程目标	探索航空航天工程，学习飞行原理和前沿工具，培养解决实际问题的能力。
知识点	航空航天工程演变，飞行物理学，飞行计划导航，材料结构，推进力，飞行生理学，空间旅行，轨道力学，遥感系统，航空航天职业。
实操项目	设计测试飞行组件，使用软件建模，应用航空航天概念，模拟行星探索任务。
时间安排	课程紧凑，一年四单元，培养工程热情。
编程技术	飞行模拟器，数据分析软件，CAD建模，机器人编程，GPS，卫星模拟，自动驾驶编程。
能力提升	飞机重量平衡计算，升阻力方程应用，压力密度高度计算，材料力学性能分析，轨道能量计算，系统模拟分析，火箭冲量计算，路线规划，空中交通模拟，轨道周期计算，能量计算，团队协作，设计流程应用，自主系统开发，软件编程，翼型设计，结构载荷模拟，涡轮发动机设计，太空垃圾处理，降落伞设计，卫星轨道设计，滑翔机优化，材料选择，卫星数据采集，地形图创建，自动驾驶控制，职业调查。

课程单元表

单元	核心概念	主要项目	编程技术
单元1: 航空航天导论	激发学生对航空航天工程的兴趣，提供飞行相关知识基础。	探索航空航天历史成就，了解飞行物理学，学习飞行计划和导航。	飞行模拟器, GPS
单元2: 航空航天设计	学习影响飞机设计的因素。	使用软件设计，模拟工具，动手制作复合材料。	CAD建模软件
单元3: 空间	学习与航空航天工程相关的空间概念。	了解空间管理和太空探索的影响。	卫星模拟
单元4: 替代应用	考虑航空航天概念在飞机和航天器设计之外的应用，探索航空航天领域的职业机会。	模拟一系列操作以探索一个行星。	机器人编程, 自动驾驶编程

课程5、土木工程与建筑

课程总表

方面	内容
课程目标	提高学生在建筑设计、现场设计和开发方面的基础知识，应用数学、科学和标准工程实践设计住宅和商业项目。
知识点	- 土木工程与建筑的历史与职业 - 住宅设计标准实践 - 商业建筑设计与应用 - 建筑系统与施工技术 - 成本与效率分析 - 设计规范和法律要求
实操项目	- 设计单户住宅 - 制作住宅电气图 - 设计商业设施的改造 - 使用3D建筑设计软件记录和展示设计 - 进行土地测量与土壤分析 - 创建项目进度安排 - 开展商业建筑设计问题解决项目
时间安排	课程包含多个单元，具体时间由教师根据进度安排。通常单元会涵盖数周时间，具体包括：- 单元1：土木工程与建筑概述 - 单元2：住宅设计 - 单元3：商业应用 - 单元4：商业建筑设计问题
所用工具与技术	- 3D建筑设计软件 - 结构分析工具 - 测量设备（如自动水平仪） - 项目管理软件
能力提升	- 团队合作与项目管理 - 问题解决能力 - 沟通与展示技能 - 技术写作与文档编制 - 工程计算与设计解决方案的技术表达

课程单元表

单元	核心概念	主要项目	编程技术
单元1: 土木工程与建筑概述	了解土木工程与建筑行业的历史、职业发展和基本概念。	学习建筑设计，建筑材料，建筑规范相关的基础知识。	建筑设计软件
单元2: 住宅设计	学习住宅设计标准实践。	设计单户住宅，制作住宅电气图。	建筑设计软件
单元3: 商业应用	学习商业建筑设计与应用。	设计商业设施的改造。	建筑设计软件
单元4: 商业建筑设计问题	学习建筑系统与施工技术。	开展商业建筑设计问题解决项目。	建筑设计软件

课程6、计算机集成制造

课程总表

方面	内容
课程目标	提高学生对制造过程、产品设计、机器人技术和自动化的理解；应用计算机辅助设计和制造；使用 CNC 铣床生产产品。
知识点	制造的历史演变、现代制造系统、制造过程与系统设计、设计可制造性、原型技术、制造成本与效率、制造系统的电力集成、制造自动化与机器人技术。
实操项目	使用 CAD 软件设计零件、使用 CAM 软件生成 G&M 代码、操作 CNC 铣床制造物品、创建机器人程序进行物料搬运、设计和测试制造系统模型、进行制造流程的财务优化项目。
时间安排	课程包含多个单元，具体时间由教师根据进度安排。通常单元会涵盖数周时间，具体包括：单元 1：制造原理、单元 2：制造过程、单元 3：自动化元素、单元 4：制造要素的集成。
所用编程技术	G&M 代码编程、机器人编程软件、CAD 建模软件、CAM 软件用于 3D 铣削。
能力提升	团队合作与项目管理、问题解决能力、沟通与展示技能、技术写作与文档编制、工程计算与设计解决方案的技术表达。

课程单元表

单元	核心概念	主要项目	编程技术
单元1: 制造原理	了解制造的创新历史和持续改进，学习输入输出设备的使用。	学习制造系统中各个组件如何相互连接，并设计模型。
单元2: 制造过程	学习制造过程中的各个离散步骤。	分析产品以考虑设计改进，并推荐有效的制造流程。	G&M 代码编程
单元3: 自动化元素	了解机器人自动化在制造系统中的应用。	创建自动序列，指示机器人在模拟环境中完成任务。	机器人编程软件
单元4: 制造要素的集成	将课程概念应用于顶点问题。	设计、构建、编程和展示能够创建产品的制造系统模型。	CAD 建模软件, CAM 软件

课程7、计算机科学原理

课程总表

方面	内容
课程目标	提高学生的计算机科学技能，促进计算思维和编程基础，培养创造力，了解计算对社会的影响，鼓励学生在计算机科学的职业道路上探索。
知识点	计算解决方案设计、算法与程序开发、程序开发中的抽象、代码分析、计算创新、负责任的计算、数据处理与可视化、网络安全与隐私。
实操项目	设计并实现程序、调试和测试代码、创建用户界面 (UI)、使用 Python 进行数据分析、创建自定义编码器、制作数字艺术与游戏、探索模拟与建模。
时间安排	课程为期一年（160天），包含多个单元，具体包括：单元1：创意计算（27%）、单元2：互联网的每一个比特（25%）、单元3：从小数据到大数据（24%）、单元4：解决复杂问题（15%）。
所用编程技术	Python3®、使用 Trikets 嵌入式代码编辑器、Microsoft Visual Studio Code、Google® Sheets®、Vernier GA4®、Netlogo。
能力提升	编程与合作能力、技术写作与文档编制、演讲与沟通技能、解决问题能力、负责任的计算与网络安全意识。

课程单元表

单元	核心概念	主要项目	编程技术
单元1: 创意计算	培养计算思维和编程基础，发挥创造力进行程序设计。	设计并实现程序，调试和测试代码，创建用户界面(UI)，制作数字艺术与游戏。	Python3®, Trikets 嵌入式代码编辑器
单元2: 互联网的每一个比特	理解互联网的运作方式和网络安全。	探索网络协议和数据传输，了解网络安全和隐私问题。	Python3®, Microsoft Visual Studio Code
单元3: 从小数据到大数据	学习数据处理与可视化。	使用Python进行数据分析，创建自定义编码器。	Python3®, Google® Sheets®, Vernier GA4®
单元4: 解决复杂问题	综合运用所学知识解决复杂问题。	探索模拟与建模，解决实际问题。	Python3®, Netlogo

课程8、数字电子

课程总表

方面	内容
课程目标	学习数字电路设计流程，创造能够改善人们生活的电路解决方案，理解电子设备的基础知识，掌握组合逻辑和时序逻辑设计，培养团队合作和技术文档能力。
知识点	电子基础、组合逻辑电路设计、时序逻辑、控制现实世界系统、状态机设计、编程与算法思维。
实操项目	设计和构建电路、使用FPGA实现电路设计、测量和分析电路、设计七段显示器电路、创建计数器电路、实现单板计算机的输入输出管理、设计交通信号灯和逃生室项目。
时间安排	课程分为四个单元：单元1：电子基础、单元2：组合逻辑、单元3：时序逻辑、单元4：控制现实世界系统。
所用编程技术	Python编程、使用FPGA和逻辑电路板、pi-top平台。
能力提升	团队合作与项目管理、问题解决能力、演讲与沟通技能、技术写作与文档编制、创新思维与设计能力。

课程单元表

单元	核心概念	主要项目	编程技术
单元1: 电子基础	学习数字电路设计流程，理解电子设备的基础知识。	设计和构建电路，测量和分析电路。
单元2: 组合逻辑	掌握组合逻辑电路设计。	设计七段显示器电路。
单元3: 时序逻辑	掌握时序逻辑设计。	创建计数器电路。
单元4: 控制现实世界系统	理解单板计算机的输入输出管理。	实现单板计算机的输入输出管理，设计交通信号灯和逃生室项目。	Python编程

课程9、环境可持续性

课程总表

方面	内容
课程目标	探索和设计解决方案以应对与清洁饮水、稳定食物供应和可再生能源相关的现实挑战，培养学生对环境可持续性的理解和实践能力。
知识点	环境可持续性、水资源管理、食物安全与基因工程、可再生燃料与生物制造、全球水问题及其解决方案、生物工程的作用。
实操项目	设计和构建水处理系统、创建基因工程植物、设计和测试生物燃料生产系统、进行水质测试与水污染治理实验、设计小型水净化装置应对自然灾害、进行家庭能源审计。
时间安排	课程分为四个单元：单元1：为更好的明天而努力的环境可持续性、单元2：确保安全和充足的水、单元3：食物安全、单元4：可再生燃料。
所用编程技术	使用数据采集软件进行水质测量、使用生物实验室技术进行基因工程实验。
能力提升	团队合作与项目管理、科学实验设计与实施、数据分析与图表构建、技术写作与沟通技能、创新思维与解决问题的能力。

课程单元表

单元	核心概念	主要项目	编程技术
单元1: 为更好的明天而努力的环境可持续性	了解全球环境问题，以及生物工程在可持续发展中的作用。	了解全球环境问题，探讨生物和环境工程领域，反思工程师在解决环境可持续性问题中的作用，并探讨影响工程师决策的伦理问题。
单元2: 确保安全和充足的水	探讨全球饮用水挑战，了解自然水系统如何被污染，探索如何预防污染，并研究如何净化受污染的水。	建立自然水系统模型，调查水系统中可能的污染物，研究它们对人体的影响；对当地可用的饮用水、当地受污染的水源或教师配制的水样本进行化学和生物测试，以测量水质。	数据采集软件
单元3: 食物安全	探讨粮食安全问题，学习DNA的结构和功能以及蛋白质合成的过程。学习如何确定我们熟悉的食物是否含有转基因生物(GMOs)。	了解全球粮食安全问题，探讨发达国家和发展中国家全球人口的粮食安全问题。学生们将研究生物工程师目前在解决粮食安全问题方面的能力，并探索生物工程如何创造转基因植物来帮助解决这些问题。	生物实验室技术
单元4: 可再生燃料	探讨全球能源消耗模式，并研究化石燃料以外的能源消耗模型。	运用工程设计流程，学生们需要设计、建造和操作台式规模的藻类生物反应器。学生们设计监控系统，并应用标准实验室流程来量化其系统在生产藻类和净化最终产品方面的效率。

课程10、PLTW 毕业设计

课程总表

课程目标	培养学生的创新和解决问题的能力，使他们能够独立设计和执行项目。帮助学生学习如何识别和论证问题，进行研究，并提出可行的解决方案。提升学生的团队合作、项目管理、沟通表达和技术写作能力。为学生提供探索STEM职业生涯的机会，并为他们进入大学和职业生涯做好准备。
知识点	创新和问题解决，设计流程，实验设计，软件开发流程，研究方法，项目管理，职业道德，团队合作，技术写作，口头表达。
实操项目	识别并论证一个开放式问题，记录并分析以前的解决方案尝试，提出并论证解决方案要求，进行头脑风暴，生成、分析和选择设计概念，应用STEM原则和实践，考虑设计的可行性，构建可测试的原型，制定原型测试和数据收集计划，进行测试、数据收集和分析，记录外部评估，反思设计项目，提出设计师的建议，展示项目和项目组合，进行技术交流。
时间安排	本课程的结构与“工程设计流程组合评价标准”相一致。鼓励学生按照该标准中定义的组件和要素来安排他们的作品集格式。课程包含七个主要组成部分：组件1: 顶石之旅，组件2: 问题验证，组件3: 解决方案设计，组件4: 原型设计和测试，组件5: 项目和流程评估，组件6: 设计展示，组件7: 超越共同的顶石。
编程技术	学生可以根据他们选择的问题和探索的解决方案路径，使用以下工具和软件：Microsoft® Office (Excel, Word, PowerPoint®)，3D 实体建模软件，各种测量设备，实验室设备，Vernier Graphical Analysis 4 数据收集软件和无线传感器/探头，MIT App Inventor，Visual Studio Code，Python，Java。
能力提升	团队合作，项目管理，有效的研究，解决问题，沟通能力，表达能力，技术写作，道德推理。

课程单元表

组件	核心概念	主要项目
组件1: 顶石之旅	介绍课程，概述识别和解决开放式问题，以及学生可以使用的各种资源。	学习设计要素和问题解决的流程，项目管理的工具，如何组织课程资料和作品集。
组件2: 问题验证	识别一个开放式问题，记录可靠的资源来证明问题存在。	通过研究和专家、导师的建议来完成课题的选择和可行性分析。
组件3: 解决方案设计	基于通过研究确定的设计要求，学生们提出多种可能的解决方案。	通过专家和利益相关者的反馈，并应用决策矩阵或数据驱动流程，选择最佳的解决方案。
组件4: 原型设计和测试	创建物理或虚拟的、可测试的原型或模型。	根据既定的设计要求，制定一个公正的测试计划，以确定所创建的解决方案的有效性。
组件5: 项目和流程评估	寻求并记录所有利益相关者的反馈。	设计者需要反思所有的设计决策和测试过程产生的分析。
组件6: 设计展示	在设计过程结束后，学生们需要展示并为他们的过程和决定进行辩护。	/
组件7: 超越共同的顶石	完成设计工作后，学生们需要探索与大学和职业准备相关的资源。	/

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