PLTW والتعليم في مجالات العلوم والتكنولوجيا والهندسة والرياضيات (STEM)

البنية والوظيفة: استكشاف التصميم

يكتشف الطلاب عملية التصميم، ويحددون المنتجات المحيطة بهم التي صممها المهندسون، ويستخدمون ما تعلموه لتصميم فرشاتهم الخاصة.

الدفع والشد

يستكشف الطلاب أنواعًا مختلفة من قوى الدفع والشد، ويطبقون ما تعلموه في مشروع تركيب أرجوحة.

البنية والوظيفة: جسم الإنسان

يستكشف الطلاب العلاقة بين البنية والوظيفة في جسم الإنسان، ثم يقومون بتصميم قالب.

الحيوانات والخوارزميات

يستكشف الطلاب الطرق التي يتحكم بها الناس في التكنولوجيا ويستخدمونها، فضلاً عن برمجة الرسوم المتحركة الرقمية الخاصة بهم.

ضوء الشمس والطقس

يتعرف الطلاب على تأثير الشمس في تدفئة الأرض. ويستكشفون كيفية تأثير الشمس على المواد المختلفة الموجودة على الأرض، مما يقودهم إلى فهم كيفية تأثير الشمس على الطقس. يتعلم الطلاب كيفية وصف الطقس لإجراء الملاحظات وجمع البيانات. ويستخدمون هذه البيانات لوصف الأنماط عبر الزمن، مما يساعد في التنبؤ بالطقس. يشاهد الطلاب توقعات الطقس المحلية لفهم كيفية تأثير الطقس على حياتهم اليومية. ويمارسون كيفية اختيار الملابس المناسبة لليوم من خلال اختيار ملابس أنجلينا أو مايلو أو سوزي بناءً على توقعات الطقس. ثم يستخدمون عملية التصميم لتصميم هيكل يمكنه تقليل تأثير الشمس في ارتفاع درجة الحرارة.

الكائنات الحية: الاحتياجات والتأثيرات

يستكشف الطلاب احتياجات الكائنات الحية. أثناء نزهة في الهواء الطلق، يبحث الطلاب عن النباتات والحيوانات ويفكرون في كيفية تلبية احتياجاتها في بيئتها الطبيعية. ثم يستكشفون كيف تؤثر الكائنات الحية على البيئة الطبيعية. يشارك الطلاب في محاكاة لمراقبة كيفية تأثير الحيوان على البيئة الطبيعية لتلبية احتياجاته. ثم يستكشفون احتياجات البشر ورغباتهم وكيفية تأثير البشر على البيئة الطبيعية، سواء بشكل إيجابي أو سلبي. وفي تمرين يهدف إلى الحد من النفايات، يستخدم الطلاب عملية التصميم لإنشاء لعبة أو لعبة جديدة من مواد قابلة لإعادة الاستخدام.

الضوء والصوت

يستكشف الطلاب خصائص الضوء والصوت، ثم يصممون أداة للتواصل عن بُعد.

الضوء: مراقبة الشمس والقمر والنجوم

يستفيد الطلاب من معرفتهم بالضوء ثم يصممون هيكلاً لملعب يحمي الطلاب من الأشعة فوق البنفسجية.

تكيفات الحيوانات

يتعرف الطلاب على طرق تكيف الحيوانات ويطبقون ما تعلموه لتصميم حذاء مخصص لاستكشاف الصحراء.

السرد القصصي بالرسوم المتحركة

يكتسب الطلاب مهارات التفكير الحسابي من خلال إنشاء رسوم متحركة مستوحاة من قصصهم القصيرة. 

تصاميم مستوحاة من الطبيعة

يستكشف الطلاب أوجه التشابه بين الأبناء وأبويهم. ويقومون بمحاكاة أنماط سلوك الحيوانات التي تساعدها على البقاء. ويتعلمون كيف أن النباتات والحيوانات تمتلك أجزاء خارجية تساعدها على تلبية احتياجاتها. وبناءً على هذا الفهم، يتبع الطلاب عملية التصميم لبناء نموذج لمأوى خارجي مستوحى من الأجزاء الخارجية للنباتات والحيوانات.

علم المواد: خصائص المادة

يستكشف الطلاب علم المواد ويبتكرون طريقة للحفاظ على برودة المصاصات المثلجة — دون الحاجة إلى حافظة تبريد.

علم المواد: الشكل والوظيفة

يقوم الطلاب بالبحث في الطرق المتنوعة التي تستخدمها الحيوانات لنشر البذور وتلقيح النباتات، ثم يستخدمون ما توصلوا إليه لتصميم أداة للبستنة.

الأرض المتغيرة

يستكشف الطلاب كيف أن سطح الأرض في تغير مستمر، ثم يصممون حلولاً لمجتمع خيالي مهدد بانهيار أرضي.

الشبكات والألعاب

يتعرف الطلاب على التسلسل والهيكل المطلوبين في برامج الكمبيوتر، ويعملون في فرق لإنشاء ألعاب للأجهزة اللوحية.

الكائنات الحية: تنوع الحياة

يتعرف الطلاب على تنوع الحياة في الموائل، أو ما يُعرف بالتنوع البيولوجي. ويقومون بمراقبة الموائل المختلفة والكائنات الحية التي تنمو فيها. ويشاركون في ثلاثة سيناريوهات لتعلم أهمية وجود العديد من الكائنات الحية المختلفة في الموائل. بعد ذلك، يبحث الطلاب في كمية الماء وضوء الشمس التي تحتاجها النباتات للنمو في بيئة معينة. ويستخدمون عملية التصميم لتصميم حديقة أصص نباتات تنمو في بيئة محددة.

الاستقرار والحركة: علم الطيران

يتعرف الطلاب على القوى المؤثرة في الطيران، ثم يصممون حلاً لتوصيل إمدادات المساعدات عبر طائرة.

الاستقرار والحركة: القوى والتفاعلات

يستكشف الطلاب الآلات البسيطة مثل العجلات والمحاور، والرافعات، والمستوى المائل، وغيرها، ثم يستخدمون ما تعلموه لإنقاذ حيوان محبوس في حديقة الحيوانات.

تباين السمات

يبحث الطلاب في الفروق بين السمات الجينية الموروثة والسمات المكتسبة أو المتأثرة بالبيئة، ثم يضعون نموذجًا يوضح كيفية انتقال الجين المسؤول عن لون ساق النبات.

أنماط البرمجة

يكتشف الطلاب قوة النمطية والتجريد، ثم يستخدمون ما تعلموه لإنشاء لعبة فيديو مخصصة للأجهزة اللوحية.

الطقس: العوامل والمخاطر

يستكشف الطلاب ويجمعون ويصنفون البيانات المتعلقة بثلاثة عوامل تؤثر على الطقس: هطول الأمطار، ودرجة الحرارة، والرياح. ويقارنون بين الطقس والمناخ باستخدام هذه العوامل الثلاثة في وصفهم. كما يستكشف الطلاب أنواعًا مختلفة من المخاطر الجوية، بما في ذلك تلك الموجودة في منطقتهم. ويصممون حلاً يقلل من تأثير المخاطر المرتبطة بالطقس.

دورات الحياة والبقاء

يتم تعريف الطلاب بدورات الحياة. ويقومون بمقارنة وتباين دورات حياة الحيوانات المختلفة لتحديد السمات المشتركة والاختلافات المحددة. يعمق الطلاب فهمهم لدورات الحياة أثناء استكشافهم لدورة حياة نحل العسل. يتعلمون أن النحل العامل له علاقة مهمة بالنباتات المزهرة تربط بين دورات حياتهما. يستكشف الطلاب ما إذا كان العيش في مجموعة يجعل نحل العسل أكثر أو أقل عرضة للمخاطر. ثم يصمم الطلاب موطنًا للنحل يعزز بقاء النحل. ويطلقون حملة خدمة عامة لمشاركة تصاميمهم لزيادة الوعي بأهمية النحل.

التغيرات البيئية

يتعرف الطلاب على الموائل الموجودة على كوكب الأرض وكيف تدعم هذه الموائل الحياة. ويقوم الطلاب بفحص الحفريات واستكشاف ما تكشفه هذه الحفريات عن كيفية تكيف الكائنات الحية والموائل وتغيرها بمرور الزمن. كما يحدد الطلاب العوامل التي تسبب التغيرات البيئية ويحاكون تأثير هذه التغيرات على الكائنات الحية. ثم يلقون نظرة أعمق على أمثلة محددة للتغيرات البيئية في بيئتهم المحلية. ويستخدم الطلاب عملية التصميم لاستكشاف إحدى المشكلات الناجمة عن التغير البيئي ووضع خطة عمل للحد من الأضرار المستقبلية أو وقفها.

الإدخال/الإخراج: أنظمة الحاسوب

يستكشف الطلاب كيفية عمل أجهزة الكمبيوتر، ثم يقومون بإنشاء برنامج حاسوبي لقياس زمن الاستجابة من أجل تقييم المستوى الأساسي قبل حدوث ارتجاج في المخ.

المدخلات/المخرجات: الدماغ البشري

يتعرف الطلاب على المفاهيم المتعلقة بالمحفزات والاستجابات، ثم يستخدمون ما تعلموه لإنتاج مقطع فيديو لتوعية الأطفال بمخاطر الارتجاج.

موجات الضوء وخصائصه

يلاحظ الطلاب سعة الموجات وطولها الموجي في محاكاة ويصفون أنماطها. ويتعلمون أن الموجات تنقل الطاقة من مكان إلى آخر، مما قد يؤدي إلى تحريك الأجسام. كما يتعلمون أن الألوان تتحدد بطول موجات الضوء من خلال تجربة تستخدم الألوان الأساسية للضوء. ثم يستكشف الطلاب كيفية تفاعل الضوء مع المواد المختلفة الشفافة والشفافة والغير شفافة. ويستخدمون عملية التصميم لتصميم لعبة تدمج المعرفة والمهارات التي اكتسبوها حول الضوء خلال الوحدة.

الكائنات الحية: البنية والوظيفة

يتعرف الطلاب على خصائص الكائنات الحية ويبحثون عن أوجه التشابه بينها. ويقوم الطلاب بدراسة مجموعة واسعة من الكائنات الحية، مستكشفين هياكلها الداخلية والخارجية الفريدة لفهم كيفية دعم هذه الهياكل لبقاء الكائن الحي، وكيف تتكامل مع هياكل أخرى لتعمل كجزء من نظام أكبر. ثم يطبق الطلاب المعرفة والمهارات التي اكتسبوها أثناء عملهم في عملية التصميم من أجل البحث عن نموذج لأطراف اصطناعية لحيوان مصاب وتصميمه وصنعه.

الأرض: الماضي والحاضر والمستقبل

يستكشف الطلاب المعالم الطبيعية على سطح الأرض. ويتعرفون على مختلف التضاريس والمسطحات المائية. كما يلقون نظرة أعمق على أصل التضاريس أثناء تعلمهم عن الصفائح التكتونية وحدودها. ويدرسون كيف تغيرت التضاريس بمرور الزمن بسبب العوامل الجوية والتآكل. ويبحث الطلاب في كيفية تأثير العوامل الجوية الميكانيكية والكيميائية على الأرض، ويحددون أمثلة على هذه العوامل في منطقتهم المحلية. يستخدم الطلاب عملية التصميم لإنشاء فيلم وثائقي يشرح كيف تشكلت إحدى التضاريس الأرضية بمرور الوقت.

الأرض: تأثير الإنسان والكوارث الطبيعية

يتعرف الطلاب على العلاقة بين الإنسان والبيئة. ويبدأون الوحدة بتفعيل معارفهم حول الموارد الطبيعية. ويتعلمون كيفية الحد من تأثير الإنسان على البيئة، ويستخدمون عملية التصميم لإنشاء مشروع قائم على إعادة التدوير الإبداعي. ثم يبحث الطلاب في موضوع الكوارث الطبيعية، ويصممون مجموعات أدوات للاستعداد لحالات الطوارئ لإثبات فهمهم للتحديات التي تفرضها الكوارث الطبيعية. يتبع الطلاب عملية التصميم لوضع خطة للحد من تأثير الإنسان على الأرض أو لتقليل تأثير الكوارث الطبيعية على البشر.

استكشاف الطاقة

يشارك الطلاب في استكشاف الظواهر المتعلقة بالطاقة. ويقومون بالملاحظة وطرح الأسئلة وإجراء الربط بين المفاهيم أثناء استكشافهم لعمليات نقل الطاقة. وطوال هذه الوحدة، يستكشف الطلاب الصلات بين هذه المفاهيم والمهن المختلفة، فضلاً عن أهمية الطاقة في الحياة اليومية، وذلك من خلال زيارة العديد من أصحاب الأعمال في إطار التجربة التفاعلية «ماين ستريت». ولتعميق فهمهم لموضوع الطاقة، يقوم الطلاب بتصميم تجربة بحثية لاختبار ما يحدث عند اصطدام الكرات الزجاجية على مسار. يقدم كل صاحب عمل مشكلة تحتاج إلى حل. يختار الطلاب مشكلة ويستخدمون عملية التصميم لتطبيق الأفكار العلمية لتصميم واختبار وتحسين جهاز يحول الطاقة من شكل إلى آخر.

الروبوتات والأتمتة

يستكشف الطلاب طرق استخدام الروبوتات في عالمنا المعاصر، ثم يقومون بتصميم روبوت متحرك قادر على إزالة المواد الخطرة من موقع الكارثة.

الروبوتات والأتمتة: التحدي

يستكشف الطلاب التصميم الميكانيكي وبرمجة الكمبيوتر، ثم يقومون بتصميم مركبة ذاتية التوجيه لتوصيل الإمدادات داخل المستشفى.

العدوى: الكشف

يستكشف الطلاب طرق انتقال العدوى ويجرون تجربة للمساعدة في إيجاد سبل لمنع انتشار المرض.

العدوى: النمذجة والمحاكاة

يقوم الطلاب بدراسة النماذج والمحاكاة وتطبيق معارفهم لبرمجة نموذج يحاكي انتشار العدوى. 

المادة: الخصائص والتفاعلات

يتعرف الطلاب على الحالات الثلاث للمادة. ويقومون بدراسة خلائط من مواد مختلفة تؤدي إلى تكوين مواد جديدة مع الحفاظ على الكتلة. كما يصمم الطلاب اختبارًا يثبت أن أحد العناصر يتمتع بالخصائص الميكانيكية المطلوبة.

النظم البيئية: تدفق المادة والطاقة

يتعرف الطلاب على النظم البيئية للأرض وكيفية تدفق الطاقة من الشمس إلى النباتات ومن النباتات إلى الحيوانات. ويقوم الطلاب بإنشاء نموذج لوصف عملية التمثيل الضوئي وشرح كيفية دخول الطاقة الشمسية إلى النظام البيئي. ويستخدم الطلاب الأدلة لدعم الفكرة القائلة بأن النباتات تحصل على المواد التي تحتاجها للنمو بشكل أساسي من الهواء والماء. ويتعلم الطلاب كيفية تدفق الطاقة عبر النظام البيئي ويستكشفون محاكاة توضح كيف يمكن أن يفقد النظام البيئي توازنه. وأخيرًا، يستخدم الطلاب عملية التصميم لوضع خطة عمل لحماية النباتات والحيوانات في نظام بيئي أصبح غير متوازن بسبب النشاط البشري.

أنماط في الكون

يكتسب الطلاب فهمًا بأن النجوم عبارة عن كرات من الغاز الساخن. ويتعلمون أن شمسنا هي نجم يقع في مركز نظامنا الكوكبي. كما يتعرف الطلاب على الأنماط التي يمكن التنبؤ بها على الأرض من حيث علاقتها بموقعها في النظام الشمسي. ويقومون بتصميم معرض يهدف إلى توعية الآخرين بمفهوم تعلموه خلال هذه الوحدة.

مياه الأرض والنظم المترابطة

يتعرف الطلاب على أنظمة الأرض: الغلاف الجوي، والغلاف المائي، والغلاف الأرضي، والغلاف الحيوي. ويدرس الطلاب كيفية تفاعل هذه الأنظمة، كما يبحثون دور الجاذبية داخل كل نظام. ويقومون بدراسة متعمقة لكيفية تقاطع عمليات دورة المياه مع كل نظام من هذه الأنظمة، ويطبقون هذه المعرفة لاستكشاف العوامل التي تؤثر على معدل التبخر. ويستخدم الطلاب عملية التصميم لتطوير طريقة لإنتاج مياه شرب نظيفة من عينات من المياه الملوثة.

من خلال المشاركة في أنشطة مثل تشريح قلب خروف، يستكشف الطلاب مفاهيم علم الأحياء والطب لتحديد العوامل التي أدت إلى وفاة شخصية خيالية. 

من خلال مشاريع مثل تحديد هوية هيكل عظمي باستخدام كل من علم الأنثروبولوجيا الجنائية وتحليل الحمض النووي، يدرس الطلاب التفاعلات بين أجهزة الجسم البشري ويطبقون معارفهم لحل حالات طبية واقعية.

يشارك الطلاب في أنشطة مثل تصميم ذراع اصطناعية، بينما يتابعون حياة عائلة خيالية ويستكشفون سبل الوقاية من الأمراض وتشخيصها وعلاجها.

يستفيد الطلاب من المعرفة والمهارات التي اكتسبوها من المقررات السابقة لتصميم حلول مبتكرة خاصة بهم لمواجهة التحديات الصحية الأكثر إلحاحًا في القرن الحادي والعشرين. وتُتاح لهم الفرصة للعمل على مشروع مستقل تحت إشراف مرشد أو مستشار من إحدى الجامعات أو المرافق الطبية أو المؤسسات البحثية.

مع التركيز على التفكير الحسابي والتعاون، توفر هذه الدورة التي تستمر لمدة عام نقطة انطلاق ممتازة للطلاب لبدء أو مواصلة تجربة برنامج PLTW لعلوم الكمبيوتر من مرحلة ما قبل الروضة وحتى الصف الثاني عشر. ستُعرّف دورة "أساسيات علوم الكمبيوتر" الطلاب بمجموعة متنوعة من مفاهيم التفكير الحسابي وأساسياته وأدواته، مما يتيح لهم اكتساب الفهم وبناء الثقة.

باستخدام لغة Python® كأداة أساسية، يتعلم الطلاب أساسيات البرمجة ومعالجة البيانات وأمن البيانات وأتمتة المهام، مع تعلم كيفية المساهمة في بناء ثقافة حاسوبية شاملة وآمنة وأخلاقية. يعزز هذا المقرر التفكير الحسابي وأساسيات البرمجة، ويقدم أدوات حسابية تعزز الإبداع. تساعد مبادئ علوم الكمبيوتر الطلاب على تطوير خبراتهم في البرمجة واستكشاف آليات عمل الإنترنت. وتشمل المشاريع والمشكلات تطوير التطبيقات، وتصور البيانات، والأمن السيبراني، والمحاكاة. تم الاعتراف بـ PLTW من قبل مجلس الكليات (College Board) كمزود معتمد للمناهج الدراسية والتطوير المهني لمبادئ علوم الكمبيوتر AP® (AP CSP). ويؤكد هذا الاعتماد أن جميع مكونات عروض مبادئ علوم الكمبيوتر PLTW تتوافق مع معايير إطار عمل مناهج AP وتقييم AP CSP.

يتعمق الطلاب في عملية التصميم الهندسي، حيث يطبقون معايير الرياضيات والعلوم والهندسة على مشاريع عملية مثل تصميم لعبة جديدة أو تحسين منتج موجود بالفعل.

يستكشف الطلاب مجموعة واسعة من الموضوعات الهندسية، بما في ذلك الآليات وقوة الهياكل والمواد والأتمتة، ثم يطبقون ما تعلموه لمواجهة تحديات مثل تصميم سيارة تعمل بالطاقة الذاتية.

يتعلم الطلاب الجوانب المهمة المتعلقة بتصميم المباني والمواقع وتطويرها، ثم يطبقون ما تعلموه لتصميم مبنى تجاري.

يكتشف الطلاب ويستكشفون عمليات التصنيع وتصميم المنتجات والروبوتات والأتمتة، ثم يطبقون ما تعلموه لتصميم حلول لمشاكل التصنيع في العالم الواقعي. 

باستخدام لغة Python® كأداة أساسية، يطور الطلاب مهارات التفكير الحسابي ويتعاملون مع تحديات مثل تصميم التطبيقات لحل مشكلات واقعية للعملاء. 

يستكشف الطلاب أسس الحوسبة من خلال المشاركة في عمليات تصميم الدوائر الكهربائية لإنشاء منطق تركيبي ومنطق تسلسلي (ذاكرة)، تمامًا كما يفعل المهندسون الكهربائيون في المجال الصناعي.

يقوم الطلاب بدراسة وتصميم حلول لمواجهة التحديات الواقعية المتعلقة بمياه الشرب النظيفة والوفيرة، وإمدادات الغذاء، والطاقة المتجددة. 

يستكشف الطلاب نطاق الفرص المهنية والتجارب المتاحة في مجال الهندسة، وذلك من خلال حل مشكلات واقعية مثيرة للاهتمام وصعبة، مثل إنشاء نظام لمركز الإغاثة الطبيعية أو إيجاد حل لتحسين سلامة ورفاهية السكان المحليين.

يشارك الطلاب في تجربة بحثية مفتوحة في مقرر «كابستون» التابع لبرنامج PLTW، وهو برنامج ختامي مخصص للطلاب الذين يكملون برامج PLTW في المرحلة الثانوية. ويتعاون الطلاب في فرق لتصميم وتطوير حلول مبتكرة لمشاكل واقعية محددة بوضوح ومبررة.